DE602005003337T2 - Gasnachweis - Google Patents

Gasnachweis Download PDF

Info

Publication number
DE602005003337T2
DE602005003337T2 DE602005003337T DE602005003337T DE602005003337T2 DE 602005003337 T2 DE602005003337 T2 DE 602005003337T2 DE 602005003337 T DE602005003337 T DE 602005003337T DE 602005003337 T DE602005003337 T DE 602005003337T DE 602005003337 T2 DE602005003337 T2 DE 602005003337T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
target gas
monitored
gas
absorption
detecting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE602005003337T
Other languages
English (en)
Other versions
DE602005003337D1 (de
Inventor
Lee P. Sandford RICHMAN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Senscient Ltd
Original Assignee
Senscient Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from GB0405252A external-priority patent/GB2411953A/en
Priority claimed from GB0406559A external-priority patent/GB2412430A/en
Priority claimed from GB0407533A external-priority patent/GB2412728A/en
Priority claimed from GB0421319A external-priority patent/GB2418483A/en
Application filed by Senscient Ltd filed Critical Senscient Ltd
Publication of DE602005003337D1 publication Critical patent/DE602005003337D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE602005003337T2 publication Critical patent/DE602005003337T2/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G01J3/433—Modulation spectrometry; Derivative spectrometry
    • G01J3/4338—Frequency modulated spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft den Nachweis von Gasen, insbesondere aber nicht notwendigerweise ausschließlich den Nachweis von giftigen, brennbaren oder auf andere Weise gefährlichen Gasen in einer Arbeitsumgebung wie einer Petrochemischen Anlage.
  • Gut bekannt ist der Nachweis eines Gases mittels Laserdiodenspektroskopie (LDS). Die von einer Laserdiode ausgesandte Wellenlänge hängt von dem verwendeten Antriebsstrom ab, so dass sich durch selektive Variation des Antriebsstroms die ausgesandte Wellenlänge über eine optische Absorptionslinie eines Zielgases, das nachgewiesen oder gemessen werden soll, durch stimmen lässt. Wenn das von einer solchen Laserdiode ausgesandte Licht durch eine Gasprobe gleitet und auf einen geeigneten optischen Detektor fokussiert wird, entspricht das vom Detektor erhaltene Signal dem Produkt der von dem Laser ausgegebenen Wellenform und des Transmissionsspektrums der angestrahlten Gasprobe. Die Menge des Zielgases im Transmissionsweg durch die Probe kann dann bestimmt werden, indem man die Änderung der erhaltenen Intensität misst, wenn die Wellenlänge des Lasers der Wellelänge einer optischen Absorptionslinie des Zielgases entspricht. Die von einer gegebenen Gasmenge bewirkte Absorption kann nach dem Beerschen Gesetz, I = I0 e–σn berechnet werde, wobei I die an dem Detektor empfangene Intensität ist, I0 die auf die Probe beim Einstrahlen fallende Intensität, σ der Absorptionsquerschnitt des Zielgases bei der Absorptionswellenlänge und n die gesamte Anzahl von Zielgasmolekülen im Messungsweg.
  • LDS ist für Anwendungen, die eine hohe Sensitivität erfordern, weit verbreitet – beispielsweise zur Überwachung chemischer Prozesse und zum Messen atmosphärischer Schadstoffe. Bisher wurde LDS jedoch in sicherheitsbezogenen Anwendungen kaum verwendet. Der Hauptgrund hierfür ist, dass derartige Anwendungen ein extrem hohes Maß an Zuverlässigkeit und insbesondere sehr niedrige Fehlalarmraten verlangen. Konventionelle LDS ist ausreichend zuverlässig, um anteilige Absorptionen von nur 1 × 10–5 bei Prozessüberwachungen oder atmosphärischen Messungen festzustellen. Jedoch können derart kleine Absorptionsanteile nicht mit einer für sicherheitsbezogene Anwendungen ausreichend niedrigen Fehlalarmrate festgestellt werden. Kurz gesagt wird die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen als zu hoch angesehen, um LDS für Anwendungen wie dem Nachweis von giftigen oder brennbaren Gasen, zu nutzen, für die es ansonsten geeignet wäre.
  • Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen zufriedenstellenden Einsatz von LDS zum Nachweis von giftigen oder brennbaren Gasen oder für andere Sicherheitsanwendungen zu ermöglichen, also mit hoher Sensitivität Gas zuverlässig nachzuweisen ohne Fehlalarme auszulösen. Dies erfordert a) einen zuverlässigen Nachweis von Absorptionsanteilen im Bereich von 1 × 10–4 bis 1 × 10–5 bei b) Arbeiten mit offenen Messstrecken von 50 bis 100 Meter Länge in c) Umgebungen, wie es sie in petrochemischen Anlagen typisch sind und die Ausrüstung extremen Wetter- und Temperaturbedingungen aussetzen, wobei sich Objekte durch den überwachten Raum bewegen, sich Verunreinigungen auf freiliegenden optischen Oberflächen ansammeln und ein hohes Maß an elektromagnetischen Störungen auftreten kann. Zur Lösung dieser Aufgabe ist es notwendig drei Schlüsselprobleme zu lösen (nämlich Systemrauschen, Absorption durch atmosphärische Gase und Kohä renz/Interferenzeffekte). Bei der vorliegenden Erfindung wurde dies dadurch erreicht, dass die Laserdiode abwechselnd bei zwei ausgewählten Wellenlängen betrieben wird, was im Folgenden der Einfachheit halber als „Zweiwellenlängen LDS" bezeichnet wird.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wurde so ein Verfahren zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum geschaffen, welches das Anlegen eines elektrischen Steuerstroms an eine Laserdiode zum Erzeugen optischer Strahlung einer durch den Steuerstrom definierten Wellenlänge, das Übertragen der optischen Strahlung durch den überwachten Raum und das Bestimmen der dabei auftretenden optischen Absorption umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerstrom zwei mittlere Wellenlängen Λ1 und Λ2 der optischen Strahlung definiert und elektrische Modulation bei zwei Frequenzen f und f' beinhaltet, wobei Λ1 und Λ2 entsprechend nahe (wie im Folgenden definiert) an zwei separaten optischen Absorptionslinien des Zielgases sind und f und f' nicht harmonisch verwandt sind.
  • Der vorstehend in Bezug auf Λ1 und Λ2 verwendete Ausdruck „nahe" bedeutet, dass die Modulation des Steuerstroms ausreicht, um die optische Strahlung zumindest bis zu der entsprechenden optischen Absorptionslinie zu verschieben. Mit anderen Worten ist die Wellenlänge Λ1 nahe genug an der optischen Absorptionslinie, dass Modulation bei der Frequenz f eine zyklische Variation in der Wellenlänge der erzeugten Strahlung bewirkt, die ausreicht, die Absorptionslinie teilweise oder vollständig abzutasten. In ähnlicher Weise sind Λ2 und die Modulation bei f' so, dass die zyklische Wellenlängenänderung ein teilweises oder vollständiges der anderen optische Absorptionslinie bewirkt.
  • Hier mag angemerkt werden, dass die zyklische Variation der Frequenz der optischen Strahlung wesentlich größer (typischerweise mehrere GHz) als die elektrische Modulationsfrequenz ist. Eine Modulation bei einer relativ niedrigen elektrischen Frequenz wird also genutzt, um die Frequenz der optischen Strahlung über viele Gigahertz vor und zurück über die Absorptionslinie des Zielgases durchzustimmen. Da die elektrische Modulationsfrequenz im Vergleich zur Frequenz der optischen Strahlung sehr niedrig ist, liegen durch die elektrische Modulation erzeugte optische Sei tenbänder, die ansonsten Schwierigkeiten bereiten könnten, zu dicht an der Durchschnittsfrequenz der optischen Strahlung, um aufgelöst werden zu können.
  • Um Zweifeln vorzubeugen, sollte diese Arbeitsweise nicht damit verwechselt werden, dass der Antriebsstrom einer Laserdiode mit Absicht elektrisch mit einer hohen Frequenz (Multi-GHz) moduliert wird, um optische Seitenbänder zu erzeugen, die dann verwendet werden, um eine Absorptionslinie zu untersuchen.
  • Die optische Strahlung kann mittels einer einzigen Laserdiode erzeugt werden und der Steuerstrom eine vorspannende Komponente enthalten, die zwischen zwei Werten abwechselt, die jeweils Λ1 und Λ2 definieren. Alternativ kann die optische Strahlung von zwei Laserdioden erzeugt werden, von denen eine einen besagten Steuerstrom hat, der eine vorspannende Komponente mit einem Λ1 definierten Wert hat, und die andere einen besagten Steuerstrom hat, der eine vorspannende Komponente hat, die Λ2 definiert. Die elektrische Modulation, welche auf die Laserdiode oder die Laserdioden einwirkt, ist vorzugsweise sinusförmig.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum. Die Vorrichtung umfasst eine Laserdiode, die zur Übertragung von Strahlung quer durch den überwachten Raum fähig ist, und einen ersten optischen Empfänger, der zum Empfang der übertragenen Strahlung und zur Bestimmung seiner optischen Absorption fähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerstrom auf die Laserdiode einwirkt, um zwei mittlere Wellenlängen Λ1 und Λ2 der optischen Strahlung zu definieren, und elektrisch bei zwei Frequenzen f und f' moduliert wird, wobei Λ1 und Λ2 entsprechend nahe (wie vorstehend definiert) an zwei separaten optischen Absorptionslinien des Zielgases sind und f und f' nicht harmonisch verwand sind.
  • Die Vorrichtung kann eine einzelne Laserdiode enthalten, auf welche der Steuerstrom einwirkt, der eine vorspannende Komponente hat, die zwischen zwei Werten schwankt, die jeweils Λ1 und Λ2 definieren, oder die Vorrichtung kann zwei Laserdioden enthalten, von einen eine einen Steuerstrom hat, der eine vorspannende Komponente umfasst, die Λ1 definiert, und die andere einen Steuerstrom hat, der eine vorspannende Komponente hat, die Λ2 definiert.
  • Bei einem anderen Aspekt kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Laserdiode enthalten, die durch einen Strom angetrieben wird, der zwei Komponenten enthält, nämlich eine vorspannende Komponente und eine sinusförmige Komponente. Die vorspannende Komponente schwankt zwischen zwei Werten, die so gewählt sind, dass die Laserdiode bei zwei durchschnittlichen Wellenlängen Λ1 und Λ2 betrieben werden kann, welche nahe an zwei separaten optischen Absorptionslinien des Zielgases liegen. Die sinusförmige Komponente wechselt synchron zwischen zwei harmonisch nicht verwandten elektrischen Frequenzen f und f', bei denen die Laserwellenlänge durch die oder die andere der ausgewählten Absorptionslinien in einem vorgegebenen Intervall durch gestimmt wird. Die optische Strahlung der Laserdiode wird gesammelt, durch den überwachten Raum übertragen und anschließend von einem optischen Detektor empfangen. Das elektrische Signal von dem optischen Detektor wird verstärkt, digitalisiert und verarbeitet, um die Größen der Frequenzkomponenten f, f', f1 und f2 zu bestimmen, wobei die Frequenzen f1 und f2 Oberschwingungen ähnlicher Ordnung der harmonisch nicht verwandten elektrischen Frequenzen f und f' sind, Normalisierung der Größen von f1 und f2 hinsichtlich ihrer Grundlagen, Berechnung von Größen Q1 und Q2, separate Schätzungen der Menge des Zielgases in dem überwachten Raum basierend auf den normalisierten Größen der Frequenzen f1 und f2, Vergleich der Größen Q1 und Q2 zur Bestimmung der Qualität der Übereinstimmung miteinander und mit vorausgehenden Resultate von durch den überwachten Raum vorgenommenen Messungen, Anwenden von Regeln, die von dieser Qualität abhängen, Verwendung von Q1 und Q2 in Kombination mit vorhergehenden Resultaten zur Berechnung der Menge des in dem überwachten Raum enthaltenen Zielgases. Die berechnete Gasmenge wird von der Vorrichtung mit konventionellen Mitteln ausgegeben.
  • Eine solche Vorrichtung kann zwei oder mehr Laserdioden enthalten, wobei jede Laserdiode von einem vorspannenden Strom angetrieben wird, der einen Betrieb bei einer mittleren Wellenlänge nahe an einer verschiedenen optischen Absorptionslinie desselben Zielgases bewirkt. Über diese Linie wird mit einer sinusförmigen Stromkomponente bei einer Frequenz abgetastet, die harmonisch nicht mit irgendeiner anderen verwendeten Scannfrequenz verwandt ist. Die optische Strahlung von allen Laserdioden wird gesammelt und durch den überwachten Raum übertragen. Dabei werden einer oder mehrere optische Detektoren angestrahlt. Das elektrische Signal des Detektors oder der Detektoren wird verstärkt, digitalisiert und verarbeitet, um die Stärke der Komponenten bei den fundamentalen Scannfrequenzen und Oberschwingungen ähnlicher Ordnung dieser Grundfrequenzen zu bestimmen, Normalisierung jeder Oberschwingung hinsichtlich ihrer Grundfrequenz, Berechnung separaten Schätzungen der Menge des Zielgases in dem überwachten Raum basierend auf jeder normalisierten Oberschwingung, Vergleich dieser Größenschätzungen miteinander und mit vorausgehenden Resultate von durch den überwachten Raum vorgenommenen Messungen, Anwenden von Regeln, die von dieser Qualität abhängen, Verwendung dieser Größen in Kombination mit vorhergehenden Resultaten zur Berechnung der Menge des in dem überwachten Raum enthaltenen Zielgases. Die berechnete Gasmenge wird von der Vorrichtung mit konventionellen Mitteln ausgegeben.
  • Vorzugsweise sind die Wellenlängen Scannbereiche der Laserdiode(n) harmonisch nicht verwandt und haben deutlich unterschiedliche charakteristische Abstände hinsichtlich der Bildung von kohärenten Interferenzstreifen.
  • Wenn zwei Laserdioden verwendet werden, sind diese bevorzugt in Positionen angeordnet, die berechnet wurden, um die Bildung von kohärenten Interferenzstreifen gleicher Phase, Amplitude oder Frequenz zu minimieren. Vorzugsweise wird auch die Strahlung von jeder Laserdiode gesammelt und mittels separater optischer Elemente kollimiert, die unterschiedliche, nicht harmonisch verwandte effektive Brennweiten und Dicken haben.
  • Jede Absorptionslinie des Zielgases kann bei zwei, harmonisch nicht verwandten elektrischen Frequenzen abgetastet werden. Messungen der Absorption bei solchen Linien können vorgenommen werden, indem die Größe der beiden Oberschwingungen ähnlicher Ordnung der nicht harmonisch verwandten Scannfrequenzen bestimmt werden. Dieses Verfahren wird für jede Absorptionslinie, die abgetastet wird, durchgeführt. Wird das Verfahren gleichzeitig durchgeführt, werden alle elektrischen Scannfrequenzen als nicht harmonisch verwandt gewählt.
  • Die Erfindung ist besonders vorteilhaft beim Fördern, Transportieren und Verarbeiten von Öl und Gas, wenn es nötig ist, Angestellte und Anlagen vor einem gefährlichen Freisetzen von brennbaren oder giftigen Gasen zu schützen. Die größte Gefahr durch brennbare Gase, die in der petrochemischen Industrie auftritt, stammt von Erdgas, das praktisch in allen Feldern und Anlagen gefunden wird. Zusätzlich zu Erdgas werden von der petrochemischen Industrie auch eine Anzahl anderer brennbarer Gase einschließlich Flüssiggas (liquid Petroleum gas LPG), Ethylen und Propylen, benutzt oder hergestellt. Die größte Giftgasgefahr wird in der petrochemischen Industrie durch Schwefelwasserstoff verursacht, einem hoch giftigen, korrosiven Gas, das in Öl und Erdgas von so genannten „sauren" Feldern und in Anlagen, die den Ertrag von sauren Feldern verarbeiten, vorhanden ist. Geräte zum Nachweis von austretenden brennbaren oder giftigen Gasen bei petrochemischen Anlagen wurden unter Verwendung mehrerer Technologien entwickelt, einschließlich katalytische, elektrochemische, Ultraschall- und Infrarotverfahren. Trotz der Vielfalt verfügbarer Gasdetektoren und erheblicher Anstrengungen ihrer Entwickler sowie der petrochemischen Industrie, diese Detektoren und ihren Einsatz zu perfektionieren, bleibt ein hoher Anteil an Lecks brennbarer oder giftiger Gase bei petrochemischen Anlagen unbemerkt oder wird erst zu spät entdeckt. Ein idealer Gefahrgasdetektor für die petrochemische Industrie wäre ein einzelner Gasdetektor, der jedes beliebige brennbare oder giftige Gas, das wahrscheinlich bei der Anlage gefunden wird, mit ausreichender Empfindlichkeit nachweisen kann, um eine Warnung zu geben, bevor ein gefährlicher Zustand erreicht wird. Um sich diesem Ideal anzunähern, müsste ein Detektor Methan, Ethan, Propan und Butan (die Hauptbestandteile von Erdgas und LPG), Ethylen und Propylen (Gase, die von der verarbeitenden petrochemischen Industrie in großem Umfang produziert und verwendet werden) und Schwefelwasserstoff (in saurem Öl oder Gas vorkommend) nachweisen können. Zudem müsste ein solcher Detektor dazu in der Lage sein, zuverlässig diese Gase in Konzentrationen einer Größenordnung von einem Teil pro 1 Millionen nachweisen können, um sicherzustellen, dass Lecks frühzeitig erkannt werden.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Gefahrgasdetektor zu schaffen, der den vorstehenden Kriterien weitgehend entspricht.
  • Zu diesem Zweck kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung dafür ausgebildet und hergerichtet sein, Methan, Ethan, Propan oder Ethylen in einem überwachten Raum nachzuweisen, wobei sich die vorspannende Komponente auf eine Weise ändert, die dazu dient, die Laserdiode bei Wellenlängen zu betreiben, die zum Abtasten der Absorptionslinien des Methan bei 1684 nm und 1687,3 nm und einer oder mehrerer Absorptionslinien oder Charakteristika der anderen Gase bei 1684,3 nm, 1686,4 und 1687,0 nm geeignet ist. Die abtastende Komponente stimmt wiederholend die Wellenlänge der Laserdiode über die ausgewählten Absorptionslinien oder Charakteristika durch. Die optische Strahlung von der Laserdiode wird gesammelt und durch den überwachten Raum übertragen, wobei ein optischer Detektor angestrahlt wird. Das elektrische Signal von diesem optischen Detektor wird verarbeitet, um das Gas oder die Gase, die in dem überwachten Raum vorhanden sind, und die Mengen der jeweils vorhandenen Gase zu bestimmen. Diese Information wird von dem Detektor ausgegeben.
  • Wurde die in dem überwachten Raum vorhandene Methangasmenge festgestellt, kann die Vorrichtung dafür eingerichtet werden, die im überwachten Raum vorhandene Menge an Schwefelwasserstoff abzuschätzen, indem ein Koeffizient verwendet wird, welcher die Methanmenge zu der Schwefelwasserstoffmenge für die Gaslösung eines speziellen Felds oder einer Anlage in Beziehung setzt. Diese Schätzung wird von dem Detektor ausgegeben.
  • Beim Nachweis von Methangas und dem Abschätzen der in dem überwachten Raum vorhandenen Menge an Schwefelwasserstoffgas, kann die in dem überwachten Raum vorhandenen Methangasmenge bestimmt werden, indem ein Koeffizient verwendet wird, der die Menge des Methans zur Schwefelwasserstoffmenge für die Gaslösung eines gegebenen Felds oder Anlage in Beziehung setzt.
  • Fachleute werden erkennen, dass ein Gefahrgasdetektor, wie er vorstehend beschrieben ist, sowohl vor Gefahren durch brennbares als auch giftiges Gas warnen kann, die durch ein Leck der Gaslösung eines gegebenen, bekannten Öl oder Gasfelds entstehen. Jedoch beruht eine solche Vorrichtung beim Betrieb auf der Kenntnis des Verhältnisses von Schwefelwasserstoff zu Methan in der Gaslösung, die detektiert wird. Bei Anlagen, die Öl oder Gas aus einer Reihe von unterschiedlichen Quellen beziehen oder verarbeiten, fehlt es an einem einzelnen, bekannten Verhältnis zwischen Schwefelwasserstoff und Methan der Gaslösung. Tatsächlich mag ein Teil des in solchen Anlagen umgesetzten Öls oder Gases süß sein und deshalb kein Schwefelwasserstoff enthalten.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen zuverlässigen Nachweis von gefährlichem Gas in Anlagen zu ermöglichen, die Öl oder Gas aus einer Reihe von Quellen umsetzen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung zwei Laserdioden enthalten. Eine Laserdiode wird bei Wellenlängen zum Abtasten von Absorptionslinien brennbarer Gase einschließlich Methan, Ethan und Propan betrieben. Die andere Diode wird bei einer Wellenlänge betrieben, bei der eine Absorptionslinien von Schwefelwasserstoff abgetastet wird.
  • Eine derartige Vorrichtung umfasst vorzugsweise einen Alarm, der nur dann betätigt wird, wenn die Vorrichtung sowohl Schwefelwasserstoff als auch Methan nachweist. Möglich ist es, den Alarm nur dann auszulösen, wenn die Nachweisvorrichtung Methan über einer vorgegebenen Schwellenkonzentration feststellt. Die Schwellenkonzentration kann gemäß Unterlagen über den Schwefelgehalt der von der Anlage umgesetzten petrochemischen Stoffe bestimmt werden.
  • Der Nachweis oder die Messung von Gasen wie Methan bei brennbaren Konzentrationen ist mit Verfahren der Laserdiodenspektroskopie so einfach, dass dies zuverlässig mit einer einzigen Laserdiode durchgeführt werden kann. Aus den vorstehend diskutierten Gründen kann der Nachweis oder die Messung von Schwefelwasserstoff bei toxischen Konzentrationen jedoch nicht zuverlässig durch eine einzige Messung durchgeführt werden, da die Fehlalarmrate unakzeptabel groß wäre. Erfindungsgemäß wird eine für einen zuverlässigen Nachweis von Schwefelwasserstoff ausreichend niedrige Fehlalarmrate erzielt, indem sowohl eine Schwefelwasserstoffmessung als auch eine Methanmessung verwendet werden. Wenn eine saure Gaslösung austritt, dann wird Schwefelwasserstoff durch Absorptionsmessungen erkannt, die bei der ausgewählten Schwefelwasserstoffabsorptionslinienwellenlänge durchgeführt werden und Methan wird durch Absorptionsmessungen erkannt, die bei der ausge wählten Methanabsorptionslinienwellenlänge durchgeführt werden. Nur wenn sowohl Schwefelwasserstoff als auch Methan in ausreichenden Konzentrationen nachgewiesen werden, kann tatsächlich eine auf Schwefelwasserstoff beruhende Giftgasgefahr bestehen. Wenn die in der überwachten Strecke gemessene Methanmenge kleiner als wie die Menge ist, die bekanntermaßen in der sauersten Gaslösung vorhanden wäre, die bei einer gegebenen Anlage verarbeitet wird, muss die Schwefelwasserstoffmessung falsch sein, so dass kein Giftgasalarm ausgelöst werden sollte. Diese erfindungsgemäße Strategie zum Unterdrücken von Fehlalarmen basiert auf der Tatsache, dass eine Gaslösung zwar je nach Quelle Schwefelwasserstoff enthalten oder auch nicht enthalten kann, aber jedenfalls immer eine sehr erhebliche Menge an Methan enthält.
  • Der europäische Standard EN61508 definiert die Sicherheitsintegritätsstufe (Safety Integrity Level SIL), die für Systeme angebracht ist, die zum Schutz von Menschen vor Sicherheitsrisiken verwendet werden. Wo solche Gefahren an Arbeitsplätzen auftreten, verlangen staatliche Sicherheitsorganisationen von Arbeitgebern zunehmend die Installation von Sicherheitsschutzsystemen, die einer angemessenen SIL-Stufe genügen. Ausrüstung zum Nachweis von giftigen oder brennbaren Gasen können Teil eines Sicherheitsschutzsystems sein. Folglich ist es wünschenswert, dass derartige Ausrüstung zum Gebrauch in Systemen geeignet ist, die für solche Anwendungen angemessene SIL-Stufen erreichen. Herkömmliche Ausrüstung zum Nachweis von austretenden giftigen oder brennbaren Gasen basierte auf unterschiedlichen Technologien, einschließlich katalytische, elektrochemische, Halbleiterfilm- und Infrarottechnologien. Trotz der Vielfalt erhältlicher Technologien und Gasdetektoren erfüllt die Mehrheit derzeit erhältlicher Gasdetektoren nicht einmal die Anforderungen der untersten SIL-Stufe (SIL 1), erst recht nicht SIL-Stufen, die für die meisten industriellen und petrochemischen Gasdetektionsanwendungen als erforderliche angesehen werden (SIL 2 oder SIL 3).
  • In Bezug auf den Sicherheitsstatus liegt das Hauptproblem vieler derzeit erhältlicher Gasdetektoren in einem unerkannten Versagen des Gasfühlers. Katalytische, elektrochemische und Halbleiterfilm basierte Gasdetektoren beruhen auf einer direkten chemischen oder physikalischen Wechselwirkung zwischen dem Gasfühler und dem Zielgas oder -gasen, welche sie nachweisen. Diese physikalische oder chemische Wechselwirkung findet an Oberflächen statt, die sorgfältig vorbereitet wurden, um die gewünschte Wechselwirkung mit dem Zielgas zu ermöglichen. Wenn diese Oberflächen in ihrem ursprünglich vorbereiteten Zustand sind, arbeitet der Gasfühler wie beabsichtigt. Wenn diese Oberflächen sich im Betrieb jedoch ändern, können sich Eigenschaften, auf denen der Gasfühler beruht, verschlechtern oder sogar vollständig verloren gehen. Leider können katalytische, elektrochemische und Halbleiterfilmgasdetektoren als Folge einer Einwirkung durch eine Reihe von Wirkstoffen, die in der Atmosphäre vorhanden sind, in der solche Gasdetektoren arbeiten müssen, eine Beeinträchtigung oder einen Verlust von erforderlichen Oberflächeneigenschaften erleiden. Dieses Problem wird dadurch verschärft, dass in vielen Fällen die Beeinträchtigung oder der Verlust von Oberflächeneigenschaften, welche zum Nachweis von Gas benötigt werden, nicht von einer merklichen Änderung des Signals des Nachweiselements in einer normalen, nicht giftigen Atmosphäre begleitet sind. Die einzige Möglichkeit, eine Verschlechterung oder einen Verlust der Gasnachweisfähigkeit nachzuweisen besteht darin, den Gasfühler absichtlich einer bekannten Konzentration des Zielgases auszusetzen und das erzeugte Signal mit dem im Originalzustand erzeugten Signal zu vergleichen. Dies macht es erforderlich, Gasdetektoren, die zum Nachweis von Gas katalytische, elektrochemische oder Halbleiterfilmtechnologien nutzen, regelmäßig mittels Zielgas zu testen, um einigermaßen sicher sein zu können, dass diese im Falle eines gefährlichen Gaslecks korrekt arbeiten werden.
  • Das Erfordernis, Gasdetektoren regelmäßig mit Zielgas zu testen, damit man sich ihrer Fähigkeit, Gas nachzuweisen, sicher sein kann, erzeugt eine Reihe von Problemen für die Benutzer derartiger Detektoren. Erstens können der Aufwand und die Kosten, die mit einem regelmäßigen Gastest eines Gasdetektors in einer typischen industriellen oder petrochemischen Anlage verbunden sind, sehr beträchtlich sein. Zweitens führen Betreiber von industriellen und petrochemischen Anlagen Test ihrer Gasdetektoren zur Kostenkontrolle oft nur mit dem Minimum der empfohlenen Häufigkeit durch. Diese Testhäufigkeit genügt oft nicht, um SIL-Anforderungen zu erfüllen. Drittens werden Probleme mit einzelnen Gasdetektoren üblicherweise erst entdeckt, wenn sie getestet werden. Folglich wird ein Ausfall von Detektoren oft monatelang nicht festgestellt, was ersichtlich für SIL-Systeme nicht ausreicht. Viertens ist es schwierig, zuverlässig giftige Gase zu lagern und freizusetzen. Und schließlich wollen viele Betreiber von industriellen oder petrochemischen Anlagen einfach nicht, dass sich Personal auf der Anlage mit Druckzylindern giftiger oder brennbarer Gase bewegt.
  • Infrarotgasdetektoren arbeiten, indem die Absorption des Zielgases von Infrarotstrahlung bei speziellen Wellenlängen gemessen wird. Im Vergleich zu katalytischen, elektrochemischen und Halbleiterfilmgasdetektoren haben Infrarotgasdetektoren wenige verborgene Fehlerzustände und werden zum Nachweiß brennbarer Gase der Detektor der Wahl der petrochemischen Industrie. Trotz der relativ kleinen Anzahl verborgener Fehlerzuständen in gut konstruierten Infrarotdetektoren zum Nachweis von brennbarem Gas, müssen solche Gasdetektoren dennoch Tests unterzogen werden, wobei Detektoren typischerweise alle 6 bis 12 Monate getestet werden. Auch wenn Benutzer von Infrarotendetektoren für brennbare Gase bereit sind, ihre Detektoren alle 6 oder 12 Monate zu testen, würden sie es schätzen, Mittel für einen häufigeren Funktionstest ihrer Gasdetektoren zu haben, wenn dies in einer raschen und kostengünstigen Weise getan werden könnte. Zudem sind die meisten derzeit erhältlichen Infrarotgasdetektoren nur zum Nachweis von brennbaren Gasen bei Konzentrationen im Bereich von 1–100% der unteren Explosionsgrenze (Lower Explosive Limit LEL) geeignet. Derartige Infrarotgasdetektoren sind zum Nachweis von giftigen Gasen bei den niedrigen PPM-Konzentrationen nicht geeignet, die für die meisten Anwendungen zum Nachweis giftiger Gase erforderlich sind. Dies zwingt Benutzer von Giftgasdetektoren dazu, weiterhin regelmäßige Gastests ihrer Giftgasdetektoren vorzunehmen, um zu gewährleisten, dass diese im Fall eines Giftgaslecks zuverlässig arbeiten.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, LDS-Technologie anzuwenden, um einen Detektor zum Nachweis gefährlicher Gase zu schaffen, der Sicherheitsschutzsysteme ermöglicht, welche die Sicherheitsintegritätsstufen erreichen, die für die meisten petrochemischen Anlagen erforderlich sind, indem ein spezielles Verzerrungsmuster der Strahlungsabsorption des Zielgases gemessen wird (das spezielle Verzerrungsmuster charakterisiert das Zielgas und wird der Einfachheit halber im Folgenden als „Fingerabdruck" bezeichnet).
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann demnach einen optischen Verteiler enthalten, der im Betrieb die Strahlung in zwei Teile aufteilt, wobei ein Teil durch den über wachten Raum zu einem ersten optischen Empfänger gelangt und der andere Teil durch eine einbehaltene Probe des Zielgases hindurch zu einem zweiten optischen Empfänger gelangt, wobei der auf die Laserdiode einwirkende vorgespannte Steuerstrom durch ein Rückkopplungssignal von dem zweiten optischen Empfänger kontrolliert wird, so dass die Absorption der Strahlung ein für das Zielgas spezielles Verzerrungsmuster hat, wobei das Verzerrungsmuster zwei Oberschwingungen der jeweiligen elektrischen Modulationsfrequenzen jeweils in erheblicher Stärke enthält.
  • Das Verzerrungsmuster kann eine gerade Oberschwingung und eine ungerade Oberschwingung enthalten. Bevorzugt enthält es drei Oberschwingungen, um eine Zwei- aus Dreientscheidung und die Möglichkeit eines Abgleichs ungewöhnlicher Messungen zu erlauben.
  • Genauer betrachtet kann diese Weiterbildung der Vorrichtung einen Sender mit einer Laserdiode aufweisen, die von einem Strom angetrieben wird, der zwei Komponenten umfasst, nämlich eine vorspannende Komponente, welche die Laserdiode bei einer mittleren Wellenlänge nahe an der ausgewählten optischen Absorptionslinie des Zielgases betreibt, und eine sinusförmige Wellenlängen abtastende Komponente hat, die zyklisch die Wellenlänge der Laserdiode über die Absorptionslinie des Zielgases durch stimmt, wobei die vorspannende und die Wellenlängen scannende Komponente so gesteuert werden, dass Absorption optischer Strahlung der Laserdiode durch das Zielgas einen spezifischen Fingerabdruck der Verzerrung erzeugt, der zumindest zwei Oberschwingungen der Wellenlängen abtastenden Frequenzkomponente enthält, die jeweils eine beträchtliche Stärke und bekannte, feste Größenverhältnisse und Phasenwinkel haben, wobei die optische Strahlung in zwei Teile aufgespalten wird, ein Teil durch eine einbehaltene Probe des Zielgases auf einen ersten Detektor geleitet wird, dessen Signal von dem Sender verwendet wird, um die Bedingungen zur Erzeugung eines spezifischen Fingerabdrucks der Verzerrung aufrecht zu erhalten, und wobei der zweite Anteil durch den überwachten Raum auf einen zweiten optischen Detektor zu einem Empfänger gelangt, dessen Signal hinsichtlich des speziellen Fingerabdrucks der Verzerrung verarbeitet wird, um die Menge des im überwachten Raum vorhandenen Zielgases zu berechnen, wobei der Empfänger ein Ausgabesignal erzeugt, das die berechnete Menge repräsentiert.
  • Andere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen vorgenommen wird. Es zeigen:
  • 1: ein einfaches LDS basiertes Gasnachweis- oder messsystem;
  • 2: eine typische Variation der Laserdiodenausgangsleistung bei einwirkendem Antriebsstrom für eine Laserdiode, die in einem einfachen LDS basierten Gasnachweis- oder messungssystem verwendet wird;
  • 3: eine typische Variation der Ausgangswellenlänge bei einwirkendem Antriebsstrom für eine Laserdiode, die in einem einfachen LDS basierten Gasnachweis- oder messungssystem verwendet wird;
  • 4: ein ideales Transmissionsspektrum für eine einzelne Zielgasabsorptionslinie, die von einem einfachen LDS basierten Gasnachweis- oder messsystem abgetastet wird.
  • 5: die Rampenkomponente des Antriebsstroms, der auf eine Laserdiode in einem einfachen LDS basierten Gasnachweis- oder messsystem einwirkt;
  • 6: zeigt die sinusförmige Komponente des Antriebsstroms, der auf eine Laserdiode in einem einfachen LDS basierten Gasnachweis- oder messungssystems einwirkt;
  • 7: zeigt die Fourier-Transformierte des Detektorsignals für ein einfaches LDS basiertes Gasnachweis- oder messsystems, wenn kein Zielgas im überwachten Raum vorhanden ist;
  • 8: das Signal des optischen Detektors, wenn eine erhebliche Menge Zielgas in dem überwachten Raum eines einfachen LDS basierten Gasnachweis- oder messsystems vorhanden ist;
  • 9: die Fourier-Transformierte des Detektorsignals, wenn das Zielgas in einer erheblichen Menge in dem überwachten Raum eines einfachen LDS basierten Gasnachweis- oder messsystems vorhanden ist;
  • 10: die Variation der zweiten Oberschwingung während die Wellenlänge der Laserdiode durch den die Absorptionslinie enthaltenden Bereich durch gestimmt wird;
  • 11: eine Wellenform des Antriebsstroms einer Laserdiode, der zwei sich abwechselnde vorspannende Frequenzkomponenten enthält;
  • 12: die kombinierte Fourier-Transformierte des Detektorsignals, wenn kein Zielgas in dem überwachten Raum eines Systems vorhanden ist, das mit einem Laser, wie in 11 gezeigt, betrieben wird;
  • 13: die kombinierte Fourier-Transformierte des Detektorsignals, wenn eine erhebliche Menge Zielgas in dem überwachten Raum vorhanden ist, das mit einem Laser, wie in 11 gezeigt, betrieben wird;
  • 14: das Absorptionsspektrum von 25 ppm·m von Schwefelwasserstoff zwischen 1585 nm und 1595 nm;
  • 15: das Absorptionsspektrum einer 100 m Strecke durch die Erdatmosphäre bei 30°C, 100% RH zwischen 1585 nm und 1595 nm;
  • 16: das Absorptionsspektrum von 25 ppm·m Schwefelwasserstoff zwischen 1589 nm und 1590,1 nm;
  • 17: das Absorptionsspektrum einer 100 m Strecke durch die Erdatmosphäre bei 30°C, 100% RH zwischen 1589 nm und 1590,1 nm;
  • 18: die Form einer Gasabsorptionslinie verglichen mit einer halben und einer vollen Periode eines Sinusbogens, wie es typischerweise durch Kohärenz/Interferenzeffekte erzeugt wird;
  • 19: eine Zweilaser-, Zweifrequenz-, Zweiwellenlängen-Laserdiodengasnachweis- oder -messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 20: eine Zweilaser-, Zweifrequenz-, Zweiwellenlängen-Laserdiodengasnachweis- oder messvorrichtung mit zwei Sendeoptiken gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 21: ein Zweilaser-, Zweifrequenz-, Zweiwellenlängen-Laserdiodengasnachweis- oder messsystem mit zwei Übertragungsoptiken und zwei Empfangsoptiken gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 22: zeigt eine Zweilaser-, Zweifrequenz-, Zweiwellenlängen-Laserdiodengasnachweis- oder messsystem mit zwei Empfangsoptiken gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 23: zeigt ein Zweilaser-, Zweifrequenz-, Zweiwellenlängen-Laserdiodengasnachweis- oder messsystem mit separaten optischen Pfaden für jede Laserdiode gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 24: zeigt ein Dreilaser-, Dreifrequenz-, Dreiwellenlängen-Laserdiodengasmesssystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 25: das optische Absorptionsspektrum von 1000 ppm·m Methan zwischen 1600 nm und 1775 nm;
  • 26: das optische Absorptionsspektrum von 1000 ppm·m Ethan zwischen 1600 nm und 1775 nm;
  • 27: das optische Absorptionsspektrum von 1000 ppm·m Propan zwischen 1600 nm und 1775 nm;
  • 28: das optische Absorptionsspektrum von 1000 ppm·m Butan zwischen 1600 nm und 1775 nm;
  • 29: das optische Absorptionsspektrum von 1000 ppm·m Ethylen zwischen 1600 nm und 1775 nm;
  • 30: das optische Absorptionsspektrum von 1000 ppm·m Propylen zwischen 1600 nm und 1775 nm;
  • 31: das optische Absorptionsspektrum von 1000 ppm·m Schwefelwasserstoff zwischen 1600 nm und 1775 nm;
  • 32: einen Detektor für gefährliches Gas gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 33: das optische Absorptionsspektrum von 1000 ppm·m Methan zwischen 1680 nm und 1690 nm;
  • 34: das optische Absorptionsspektrum von 1000 ppm·m Ethan zwischen 1680 nm und 1690 nm;
  • 35: das optische Absorptionsspektrum von 1000 ppm·m Propan zwischen 1680 nm und 1690 nm;
  • 36: das optische Absorptionsspektrum von 1000 ppm·m Ethylen zwischen 1680 nm und 1690 nm;
  • 37: den Antriebsstrom zur Einwirkung auf eine Laserdiode des Detektors von 32;
  • 38: das optische Absorptionsspektrum für einen 100 m Pfad durch die Atmosphäre bei 100% RH, 30°C zwischen 1680 nm und 1690 nm;
  • 39: eine weitere Form eines Antriebsstroms, der an eine Laserdiode des Detektors an 32 angelegt werden kann;
  • 40: einen hoch zuverlässigen Gasdetektor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 41: veranschaulicht den Gebrauch des Detektors von 40 in einem hoch zuverlässigen Gasnachweissystems;
  • 42: eine Gasfingerabdruckvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 43: die Fourier-Transformierte der von einem perfekten Detektor ohne Zielgasabsorption ausgegebenen Wellenform;
  • 44: die typische Fourier-Transformierte der von einem Detektor bei starker Zielgasabsorption ausgegebenen Wellenform;
  • 45: ein Beispiel einer komplexen Fourier-Transformierten eines Zielgasabsorptionsfingerabdrucks mit speziellen Merkmalen, die für eine erfolgreiche Umsetzung der beanspruchten Vorrichtung erforderlich sind; und
  • 46: die typische Fourier-Transformierte, die sich als Resultat des Abtastens einer Zielgasabsorptionsregion nahe an einer starken atmosphärischen Absorptionslinie ergibt, wenn kein Zielgas vorhanden ist.
  • In 1 ist ein einfaches LDS basiertes Gasnachweis- oder messsystem gezeigt. Es umfasst eine Laserdiode 1, die auf einen temperaturstabilisierten Träger 2 montiert ist und von einem Laserdiodenantriebs/Modulationskreis 3 angetrieben wird. Die Strahlung der Laserdiode wird gesammelt und von einem optischen Element 4 kollimiert. Der resultierende Strahl wird durch einen überwachten Raum 5 zu einem optischen Empfangselement 6 geschickt, das die empfangene Strahlung auf einen De tektor 7 fokussiert. Das Signal von dem Detektor 7 wird von einem Verstärker 8 verstärkt und von einem Analog-Digital Wandler (ADC) 9 digitalisiert und anschließend von einem Signalverarbeitungssystem 10 verarbeitet, um die Menge des im Probenpfad vorhandenen Zielgases zu berechnen.
  • Der Betrieb des Systems gemäß 1 ist in den 1 bis 8 dargestellt.
  • 2 zeigt die Variation der Ausgangsleistung der Laserdiode bei ansteigendem Antriebsstrom. Diese ist im wesentlichen linear wenn oberhalb des Schwellenstroms der Laserdiode gearbeitet wird.
  • 3 zeigt, wie die von der Laserdiode ausgegebene Wellenlänge von dem Antriebsstrom abhängt. Dieser Effekt wird genutzt, um die Wellenlänge des Lasers durch zustimmen.
  • 4 zeigt die ideale Wellenlänge abhängige Übertragung in und um den Bereich einer ausgewählten Zielgasabsorptionslinie, die sich bei Anwesenheit einer Menge des Zielgases im überwachten Raum ergibt (es sollte bedacht werden, dass die Absorptionsspektren von Gasen viele Absorptionslinien enthalten und 4 einen kleinen, idealen Bereich um eine spezielle Absorptionslinie zeigt, die zum Durchführen von Messungen ausgewählt wurde).
  • Die Laserdiode wird mit einem Steuerstrom angetrieben, der zwei Komponenten hat, nämlich eine rampenförmige vorspannende Komponente und eine sinusförmige Modulationskomponente. 5 zeigt die vorspannende Komponente, die dafür genutzt wird, die mittlere Wellenlänge der Laserdiode langsam durch einen Bereich, welcher die ausgewählte Zielgasabsorptionslinie enthält, durch zustimmen.
  • 6 zeigt die sinusförmige Komponente, die dafür genutzt wird, die Wellenlänge rasch über einen kleinen Wellenlängenbereich, typischerweise um 0,05–0,1 nm, durch zustimmen. Bei Abwesenheit von Zielgas in dem überwachten Raum gibt das Signal von dem Empfänger des Systems effektiv die resultierende gegenwärtige Wellenform des Stroms wieder, welcher auf die Laserdiode einwirkt.
  • 7 zeigt die Ausgabe des Detektors des Systems bei einem einzelnen sinusförmigen Wellenlängenscannen, wenn eine erhebliche Menge Zielgas in dem überwachten Raum vorhanden ist. Fachleute werden die Abweichung von einer einfachen sinusförmigen Wellenform erkennen, die durch Absorption optischer Strahlung hervorgerufen wird, wenn die Wellenlänge der Laserdiode über die Absorptionslinie des Zielgases durch gestimmt wird. Diese Verzerrung der Wellenform erzeugt Komponenten bei Oberschwingungen der sinusförmigen Wellenlängenabtastfrequenz, wobei zweite und dritte Oberschwingungen vorherrschen. Durch Verarbeiten des Detektorsignals ist es möglich, die Größe der zweiten oder dritten Oberschwingungskomponente zu messen, während die mittlere Wellenlänge der Laserdiode über den Bereich, welcher die Absorptionslinie enthält, hochgefahren wird.
  • 8 zeigt die Änderung der zweiten Oberschwingung, wenn die Wellenlänge der Laserdiode über den die Absorptionslinie enthaltenen Bereich hochgefahren wird. Drei Bereiche dieser Kurve sind von besonderem Interesse und als a, b und c gekennzeichnet. Die Bereiche a und c gehören zu Teilen des Rampenzyklus, in denen kein Überlappen zwischen der Laserdiodenwellenlänge und der Zielgasabsorptionslinie auftritt. Diese Bereiche können genutzt werden, um die Größe der zweiten Oberschwingungskomponente bei Fehlen von Zielgasabsorption zu schätzen. Der Bereich b gehört zu dem Teil des Rampenzyklus mit dem größten Überlapp zwischen der Laserdiodenwellenlänge und der Zielgasabsorptionslinie. Die Größe der Änderung der zweiten Oberschwingungskomponente in diesem Bereich relativ zu den Regionen a und c ist proportional zur Menge des im überwachten Raum vorhandenen Zielgases. Typischerweise wird LDS verwendet, um die Änderung der zweiten oder dritten Oberschwingungskomponente zu messen, während die Wellenlänge der Laserdiode über den Bereich der Zielgasabsorptionslinie hochgefahren wird, um die Menge des im überwachten Raum vorhandenen Zielgases zu bestimmen.
  • Verschiedene Verfahren können genutzt werden, um die Größe der Oberschwingungskomponenten zu messen. Am gebräuchlichsten ist synchroner Nachweis/Demodulation. Als Alternative kann das Signal gemäß 1 digitalisiert und dann mittels digitaler Signalverarbeitungstechniken verarbeitet werden, um die Größe der verschiedenen Frequenzkomponenten im Detektorsignal zu messen.
  • LDS-Techniken, die den in den 1 bis 8 veranschaulichten Techniken ähneln, wurden umfangreich in Ausrüstungen zum Messen von Gasen in industriellen Abläufen und zum Nachweis von atmosphärischen Schadstoffen genutzt, wobei anteilige Absorptionen in der Größenordnung von 1 × 10–4 bis 1 × 10–5 mit einer für derartige Anwendungen erforderlichen Zuverlässigkeit gemessen oder nachgewiesen werden müssen. Ausrüstung mit LDS-Techniken wurde jedoch selten zum Nachweis von giftigen oder brennbaren Gasen zu Sicherheitszwecken genutzt. (Eine Ausnahme ist der Gebrauch von LDS-Ausrüstungen zum Nachweis von Wasserstofffluorid in Aluminiumschmelzanlagen und Anlagen zur Alkylierung von Kohlenwasserstoffen. Dies war möglich, da Wasserstofffluorid in dem Bereich um 1310 nm einen sehr starken Absorptionsquerschnitt hat, der es ermöglicht, ppm-Konzentrationen von HF nachzuweisen, indem anteilige Absorptionen der Größenordnung von 1 × 10–2 bis 1 × 10–3 detektiert werden, was recht einfach ist).
  • Zu gefährlichen Gasen, die nützlicherweise mit LDS basierenden Detektoren nachgewiesen werden könnten, wenn das Problem von Fehlalarmen gelöst werden könnte, gehören Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoffchlorid, Wasserstoffzyanid, Methan und Vinylchloridmonomere.
  • Der Hauptgrund, weshalb LDS nicht im größeren Umfang zum Nachweis von giftigen oder brennbaren Gasen bei sicherheitsbezogenen Anwendungen genutzt wurde, besteht darin, dass derartige Anwendungen ein extrem großen Maß an Zuverlässigkeit verlangen und insbesondere sehr niedrige Fehlalarmraten, was mit konventionellen LDS-Ausrüstungen nicht erreicht werden kann. Zu den Folgen von Fehlalarmen von Gasdetektoren gehören das Abschalten großer industrieller oder petrochemischer Anlagen, das Anlegen von Sicherheitsausrüstung durch das Personal und das Durchführen von Evakuierungsmaßnahmen sowie ein Vertrauensverlust bezüglich des Gasnachweissystems. Anwender von fest installierten Gasnachweisgeräten streben deshalb nach Fehlalarmraten der einzelnen Gasdetektoren von weniger als einmal in hundert Jahren. Bekannte Vorrichtungen auf LDS-Basis mögen zwar dafür geeignet sein, anteilige Absorptionen der Größenordnung 1 × 10–4 bis 1 × 10–5 mit einer für Prozessüberwachungen oder atmosphärische Messanwendungen ausreichender Zuverlässigkeit nachzuweisen, derart kleine anteilige Absorptionen können jedoch nicht mit einer für Sicherheitsanwendungen hinreichend niedrigen Fehlalarmrate detektiert werden.
  • Hoch empfindlicher Gasnachweis
  • Bei dem Versuch, anteilige Absorptionen von 1 × 10–4 bis 1 × 10–5 mit einem LDS-System, das dem in 1 gezeigten ähnelt, zuverlässig und mit einer Fehlalarmrate, die für sicherheitsbezogene Anwendungen ausreichend niedrig ist, nachzuweisen, begegnet man drei Hauptproblemen. Die drei Probleme sind Systemrauschen, Absorption durch atmosphärische Gase und Kohärenz/Interferenzeffekte. Diese Probleme werden im Folgenden diskutiert.
  • Systemrauschen wird durch praktisch alle aktiven Komponenten erzeugt, die in dem in 1 gezeigten LDS-System vorhanden sind, einschließlich des Laserdiodenantriebskreis 3, der Laserdiode 1, des Detektors 7, des Verstärker 8 und des ADC 9. Diese unterschiedlichen Rauschquellen haben komplexe Frequenz- und Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Dies macht es praktisch unmöglich, ihren Einfluss auf Fehlalarmraten in einem Bereich zu bestimmen, in dem Effekte mit Auftrittswahrscheinlichkeiten von nur einmal in tausend Jahren eine Rolle spielen können. Mit einiger Gewissheit lässt sich lediglich sagen, dass ein LDS-System für eine durch Systemrauschen erzeugte Signalabweichung von weniger als 1 × 10–5 während einer ausreichend langen Zeitdauer, um nur einmal in hundert Betriebsjahren einen Fehlalarm zu erzeugen, ein außerordentlich hohes Systemsignal-Rauschverhältnis (> 1 × 106:1) haben müsste. Praktisch ist es selbst bei sorgfältiger Konstruktion und Auswahl der Komponenten, Subsysteme und Signalverarbeitungsroutinen nicht möglich, ein derart hohes Systemsignal-Rauschverhältnis zu erreichen. Selbst wenn es jedoch möglich wäre, unter idealen Bedingungen ein derart hohes Systemsignal-Rauschverhältnis zu erreichen, würden es die bei einem Betrieb des LDS-System im Freien über nützliche Weglängen auftretenden Signalverluste ausschließen, dass ein derartiges Signal-Rauschverhältnis im Betrieb aufrechterhalten werden kann. Deshalb muss ein LDS-System, mit dem anteilige Absorptionen von 1 × 10–5 mit einer für sicherheitsrelevante Anwendungen ausreichend niedrigen Fehlalarmrate nachgewiesen werden sollen, das Problem des Signal-Rauschverhältnisses lösen, das bei LDS-Systemen auftritt, die dem von 1 ähneln.
  • Wenn optische Messung an einem offenen Pfad durch die Atmosphäre durchführt werden, ist es wichtig, die Auswirkungen von Absorption durch die Gase, welche die Atmosphäre ausmachen, zu berücksichtigen. Insbesondere atmosphärische Gase wie Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf zeigen starke optische Absorption bei Wellenlängen im nahen und fernen Infrarot, was der für LDS-Systeme hauptsächlich interessierende Wellenlängenbereich ist. Wenn man Wellenlängen auswählt, bei denen Messungen eines speziellen Zielgases gemacht werden sollen, ist es notwendig, sicherzustellen, dass keine starken atmosphärischen Absorptionslinien bei Wellenlängen auftreten, die sehr nahe an der Absorptionslinie(n) des Zielgases liegen, und dass eine kontinuierliche Absorption durch die atmosphärischen Gase die Strahlung der interessierenden Wellenlänge nicht soweit dämpft, dass das Signal-Rauschverhältnis des Systems über Gebühr beeinträchtigt wird. Wenn man anteilige Absorptionen von nur 1 × 10–5 detektieren möchte, ist es zudem notwendig, Effekte zu berücksichtigen, die dadurch erzeugt werden können, dass man versucht Messungen in den fernen Ausläufern starker atmosphärischer Absorptionslinien durchzuführen. Selbst wenn nämlich die Linie relativ weit entfernt ist und die atmosphärische Durchlässigkeit ausreichend hoch, kann die Krümmung der Transmission in den fernen Ausläufern einer starken Absorptionslinie ähnlich wie die Krümmung aussehen, die auf einer kleinen Absorption des Zielgases beruht.
  • Für atmosphärische Gase wie Sauerstoff und Stickstoff, die in relativ stabilen atmosphärischen Konzentrationen vorliegen, ist es möglich, evtl. kleine Ableseverschiebungen zu kompensieren, die auf deren Absorption beruhen können. Hierfür kann das Instrument oder der Detektor bei Installation auf Null gestellt werden. Möglich ist es auch, eine Korrektur vorzunehmen, die für die Länge des überwachten Raums aus charakterisierten Auswirkungen der Atmosphäre auf das Instrument oder den Detektor berechnet wurde. Für atmosphärische Gase wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, die hinsichtlich ihrer Konzentration in Abhängigkeit von Wetter, Geografie und lokalen Emissionen dieser Gase erheblichen Schwankungen unterliegen, ist eine solche Kompensation jedoch nicht möglich. Bei der Konstruktion eines LDS-System für hochempfindliche Messungen entlang eines offenen atmosphärischen Pfads ist es deshalb notwendig, den Auswirkungen der Absorption durch Wasserdampf, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Jede Technik, die das Potential derartiger Absorptionen reduziert, LDS verwendende Ausrüstung zu stören, ist sehr vorteilhaft.
  • Die in LDS-Systemen verwendeten Diodenlaser haben ein hohes Maß räumlicher und zeitlicher Kohärenz. Dies bedeutet, dass irgendwo in dem LDS-System oder dem überwachten Raum reflektiertes oder gestreutes Licht kohärent mit Licht Wechsel wirken kann, das sich direkt entlang des ausgewählten Messpfads bewegt. Die Folge von derartigen kohärenten Wechselwirkungen ist eine unerwünschte Amplitudenmodulation des Lichts, das sich entlang des Messwegs ausbreitet. Derartige Modulation ist besonders unerwünscht, wenn Eigenschaften erzeugt werden, die denen ähneln, die auftreten, wenn die Laserwellenlänge über eine Absorptionslinie des Zielgases durch gestimmt wird. Das Problem wird durch die Tatsache verschärft, dass die Amplitude einer solchen Modulation von der Feldstärke einer gegebenen Reflektions- oder Streuquelle abhängt, nicht jedoch der Intensität einer solchen Quelle. Dies bedeutet, dass Amplitudenmodulationen von 1 × 10–5 durch reflektiertes oder gestreutes Licht erzeugt werden können, dessen Intensität relativ zu dem Strahl, mit dem es wechselwirkt, 1 × 10–10 ist. Effektiv kann reflektiertes oder gestreutes Licht die Intensität des sich entlang des gewünschten Messpfads bewegenden Lichts um wesentlich mehr als seine eigene Intensität ändern.
  • Da relative Intensitäten von 1 × 10–10 Amplitudenmodulationen von 1 × 10–5 bewirken können, sind Kohärenz/Interferenzeffekte in LDS-Systemen ein sehr großes Problem. Tatsächlich hat viel Arbeit zur Verbesserung von LDS verwendenden Systemen die Entwicklung von Techniken zur Reduktion der Größe oder der allgemeinen Auswirkungen von Kohärenz/Interferenzeffekten in solchen System betroffen. Diese Arbeit hat die Entwicklung einer Reihe von älteren Techniken eingeschlossen, um Kohärenz/Interferenzeffekte zu bekämpfen, wie dies in US 4,684,258 und US 4,934,816 beschrieben ist.
  • Trotz der Einführung von Techniken zur Reduktion der Bedeutung von Kohärenz/lntereferenzeffekten in LDS-Systemen begrenzen Kohärenz/Interferenzeffekte in vielen Fällen nach wie vor den Nachweis oder Messungen mit solchen Systemen. Auch wenn diese Techniken in relativ unkritischen, kontrollierten Umgebungen angemessen sind, wirken sie in freien oder unkontrollierten Umgebungen weniger gut und reichen nicht aus, um den Anforderungen extremer Umgebungen gerecht zu werden. Wenn ein LDS-System zum Nachweis von anteiligen Absorptionen von 1 × 10–5 in industriellen Sicherheitsanwendungen genutzt werden soll, muss deshalb seine Konzeption das Kohärenz/Interferenzproblems in einer Weise berücksichtigen, die mit größter Zuverlässigkeit selbst unter extremen Umgebungsbedingungen funktioniert.
  • Bei einem LDS-System, wie es in den 1–8 beschrieben ist und den Laser mit einer Frequenz f moduliert und die harmonische Frequenz f1 misst, kann die Wahrscheinlichkeit, dass Systemrauschen N(f1) eine fehlalarmgroße Abweichung Δ(f1) in einem gegebenen Messintervall T erzeugt, durch eine Gleichung der folgenden Form beschrieben werden, wobei k1 eine Konstante des Systems ist, die das Rauschen mit der Wahrscheinlichkeit einer Abweichung P(Δ(f1(T))) in Beziehung setzt. P(Δ(f1(T))) = k1 N(f1)T–1/2
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Laserdiode von einem Strom getrieben, wie er in 10 dargestellt ist und zwei Komponenten umfasst, nämlich eine vorspannende Komponente und eine sinusförmige Komponente. Die vorspannende Komponente wechselt zwischen zwei Stromstärken A und B, die gewählt wurden, um die Laserdiode bei zwei mittleren Wellenlängen Λ1 und Λ2 nahe an zwei separaten optischen Absorptionslinien desselben Zielgases zu betreiben. Die sinusförmige Komponente wechselt synchron zwischen zwei, harmonisch nicht verwandten elektrischen Frequenzen f und f', bei denen die Laserwellenlänge über die eine oder die andere der ausgewählten Absorptionslinien während eines Intervalls T/2 durch gestimmt wird. Wenn in dem Messweg kein Gas vorhanden ist, sieht die kombinierte Fourier-Transformierte des Detektorsignals für ein gesamtes Intervall T (wobei T >> 1/f1) wie 13 aus und hat nur zwei Frequenzkomponenten f und f'. Wenn eine erhebliche Menge Zielgas in dem überwachten Raum vorhanden ist, sieht die kombinierte Fourier-Transformierte des Detektorsignals wie 11 aus mit Oberschwingungen von f und f'. Wird bei Frequenzen f1 und f2 für Zeitintervalle T/2 gemessen, ergibt sich die Wahrscheinlichkeit dafür, dass Systemrauschen eine fehlalarmgroße Abweichung (Δ(f)) während eines separaten T/2-Intervall jeweils erzeugt, folgendermaßen aus: P(Δ(f1(T/2))) = k1N(f1)T–1/2/2 P(Δ(f2(T/2))) = k2N(f2)T–1/2/2
  • Werden die Messfrequenzen f1 und f2 so gewählt, dass sie Oberschwingungen gleicher Ordnung von f und f' sind und das Systemrauschen bei f1 und f2 gleich ist, ist die Wahrscheinlichkeit dafür, dass während eines kombinierten Messintervalls (T/2 + T/2) die berechneten Mengen der Zielgase Q1 und Q2, die in dem Messpfad vorhanden sind, eine fehlalarmgroße Abweichung (Δ(f)) bedingt durch Systemrauschen übersteigen: P(Δ(f1(T/2)))& P(Δ(f2(T/2))) = k1N(f1)T–1,2 √2 × k2N(f2)T–1/2√2
  • Für N(f1) = N(f2) vereinfacht sich dies zu P(Δ(f1(T/2))) & P(Δ(f2(T/2))) = 2k1k2N(f1)2T–1
  • Da in den meisten Fällen P(Δ(f1(T/2)))) und P(Δ(f2(T/2))) klein sind, ist die Wahrscheinlichkeit dafür, dass beide Messungen durch Rauschen bewirkten Abweichungen bewirken, deren Größe während des Zeitintervalls T eine Alarmschwelle übersteigt, sehr klein. Beispielsweise kann ein System mit einem Rauschuntergrund, der alle 1 bis 2 Tage einen Fehlalarm bewirkt, wenn bei einer einzigen Frequenz um eine einzige Absorptionslinie moduliert wird, so verbessert werden, dass ein Fehlalarm nur noch einmal alle hundert Jahre auftritt, indem bei einer weiteren Frequenz und Wellenlänge gemessen wird, bei der eine durchschnittliche Fehlalarmrate von einmal in zehn Stunden auftritt, und die zweite Messung zur Bestätigung der ersten verwendet wird.
  • Um die besten Resultate zu erzielen, sollte der Gebrauch der Mengen Q1 und Q2 zur Berechnung der Gasmenge in dem überwachten Raum zusammen mit Resultaten für vorhergehende Messungen verwendet werden, wobei von der Qualität der Übereinstimmung zwischen den Mengen abhängige Regeln verwendet werden. Diese Regeln und ihre beabsichtigten Auswirkungen lauten wie folgt:
    • RA1 Wenn Q1 und Q2 gut übereinstimmen, wird zur Berechnung der in dem überwachten Raum vorhandenen Gasmenge ein großer Anteil des Durchschnitts von Q1 und Q2 zu einem ausgleichenden Anteil des laufenden Durchschnitts vorhergehender Resultate hinzu addiert. Auf diese Weise kann die Ausgabe der Vorrichtung rasch Änderungen in der Menge des in dem überwachten Raum vorhandenen Zielgases folgen, wenn die Zuverlässigkeit der letzten Messungen hoch ist.
    • RA2 Wenn Q1 und Q2 vernünftig aber nicht gut übereinstimmen, wird zur Berechnung der in dem überwachten Raum vorhandenen Gasmenge ein kleinerer Anteil des Durchschnitts von Q1 und Q2 zu einem größeren ausgleichenden Anteil des laufenden Durchschnitts vorhergehender Resultate hinzu addiert. Auf diese Weise kann die Ausgabe die neuesten Messungen berücksichtigen, während die Auswirkungen evtl. Fehler in diesen Messungen auf die Ausgabe der Vorrichtung reduziert wird.
    • RA3 Wenn nur Q1 oder nur Q2 in guter oder vernünftiger Übereinstimmung mit dem laufenden Durchschnitt vorhergehender Messungen ist, wird die Größe, welche nicht in guter oder vernünftiger Übereinstimmung ist, verworfen, während zur Berechnung der Menge des im überwachten Raum vorhandenen Gases ein kleiner Anteil der sich in guter oder vernünftiger Übereinstimmung befindenden Größe zu einem größeren ausgleichenden Anteil des laufenden Durchschnitts vorhergehender Messungen addiert wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Messungen, deren Zuverlässigkeit gering ist, die Ausgabe der Vorrichtung beeinträchtigen, während zuverlässige Messungen dazu beitragen, die Ausgabe der Vorrichtung aktuell zu halten.
    • RA4 Wenn Q1 und Q2 miteinander und dem laufenden Durchschnitt vorhergehender Messungen schlecht übereinstimmen, werden sowohl Q1 als auch Q2 verworfen und die Berechnung der in dem überwachten Raum vorhandenen Gasmenge ausschließlich auf den laufenden Durchschnitt vorhergehender Resultate gestützt, wobei der ausgleichende Anteil gleich 1 gesetzt wird. Auf diese Weise können Fehlalarme wegen unzuverlässigen Messungen effektiv ausgeschlossen werden, während die Ausgabe der Vorrichtung bei der letzten Konzentration, die ausreichend zuverlässig ist, aufrechterhalten wird.
  • Modulation und Messung bei einer Reihe von harmonisch nicht verwandten Frequenzen ist nicht nur hinsichtlich einer Verminderung der Auswirkungen von klassischem, thermischem Rauschen vorteilhaft. Elektronische Systeme werden häufig in Umgebungen betrieben, die von elektromagnetischen Störungen betroffen sind. Im Gegensatz zu klassischem, thermischem Rauschen neigen elektromagnetische Störungen dazu, bei Frequenzen aufzutreten, die harmonisch mit den Betriebsfrequenzen der Ausrüstung, welche die Quelle der Störungen sind, verwandt sind. Der Einsatz von Modulation bei einer Reihe von harmonisch nicht verwandten Frequenzen reduziert deshalb die Wahrscheinlichkeit dafür, dass elektromagnetische Störungen alle Messfrequenzen gleichzeitig beeinträchtigen, so dass auf elektromagnetischen Störungen beruhende Fehlalarme reduziert werden können.
  • Die vorliegende Erfindung befasst sich auch mit Problemen, die mit der Absorption durch atmosphärische Gase zusammenhängen, wenn entlang eines offenen Pfads gemessen wird. Dies wird nun veranschaulicht, indem die Auswirkungen der Absorption von atmosphärischen Gasen beim Versuch des Nachweises oder der Messung von Schwefelwasserstoff betrachtet werden.
  • Schwefelwasserstoff ist ein sehr giftiges Gas mit einem Schwellengrenzwert (Threshold Limit Value TLV) von 10 ppm und einer recht schwachen optischen Absorption in den Wellenlängenbereichen, die der LDS-Technik zugänglich sind. Damit ein LDS basierter Schwefelwasserstoffdetektor für Sicherheitsanwendungen genutzt werden kann, muss er eine 5 m durchmessende Gaswolke mit einem Schwefelwasserstoffgehalt von 50% TLV (5 ppm) detektieren können. Dies entspricht 25 ppm·m Schwefelwasserstoff, was eine maximale anteilige Absorption in der Größenordnung von 1 × 10–5 in dem Bereich bei 1560 nm bis 1620 nm, in dem die besten Absorptionslinien zum Schwefelwasserstoffnachweis mittels LDS gefunden werden, bewirkt. Die 14 zeigt das Absorptionsspektrum von Schwefelwasserstoff zwischen 1585 nm und 1595 nm für 25 ppm·m Schwefelwasserstoff. 15 zeigt das entsprechende Absorptionsspektrum für einen 100 m langen Pfad durch die Atmosphäre auf Meereshöhe, 100% RH, 30°C. Der 1585 nm bis 1595 nm Wellenlängenbereich ist besonders gut zum Nachweis von Schwefelwasserstoff. Er wird weniger durch atmosphärische Absorption als anderswo im Bereich zwischen 1560 nm und 1620 nm beeinträchtigt. Dennoch gibt es einige relativ starke Absorptionsmerkmale wegen Kohlendioxid, Wasserdampf und Kohlenmonoxid. Um in LDS-Systemen die Auswirkungen derartiger Absorptionen zu reduzieren, wird herkömmlicherweise eine Zielgasabsorptionslinie ausgewählt, bei welcher Messungen sehr sorgfältig vorgenommen werden, um die Auswirkungen derartiger Linien zu minimieren. Bei dem vorliegenden Beispiel scheint die Wahl einer Schwefelwasserstoffabsorptionslinie in dem Bereich zwischen 1589 nm bis 1590,1 nm eine sehr gute Möglichkeit (siehe 14 und 15) zu sein. Jedoch selbst in diesem außergewöhnlich klaren Bereich zeigen sich bei näherer Betrachtung eine Reihe von signifikanten Auswirkungen atmosphärischer Gase einschließlich vollständiger Absorptionslinien und Untergrundkrümmungen wegen entfernter, starker Linien. Der einzige Bereich, in dem die atmosphärische Absorption weniger als 1 × 10–5 beträgt, ist 1589,3 nm bis 1589,45 nm. In diesem Bereich produziert jedoch die stärkste Schwefelwasserstofflinie nur eine anteilige Absorption von 3 × 10–6 für 25 ppm·m Schwefelwasserstoff. Die Schwefelwasserstofflinie bei 1589,97 nm bewirkt eine anteilige Absorption von beinahe 9.3 × 10–6 für 25 ppm·m. Die atmosphärische Absorption wegen einer starken Wasserdampflinie in der Nähe ist jedoch 5,5 × 10–5 und steigt sehr schnell mit der Wellenlänge an. Folglich besteht eine erhebliche Wahrscheinlichkeit dafür, dass atmosphärischer Wasserdampf bei 1589,97 nm vorgenommene Messungen beeinflusst.
  • Wird der Antriebsstrom der Laserdiode mit einer Wellenform moduliert, die der in 11 gezeigten ähnlich ist, so dass abwechselnd der Bereich um die Schwefelwasserstoffabsorptionslinie bei 1589,42 nm bei einer Frequenz f für eine Zeitdauer T/2 und der Bereich um die Schwefelwasserstofflinie bei 1589,97 nm bei einer Frequenz f für eine Periode T/2 abgetastet werden, können zwei Berechnungen der Menge des im Pfad vorhandenen Schwefelwasserstoffs bei Frequenzen f1 und f2 durchgeführt und verglichen werden. Wenn dieser Vergleich so durchgeführt wird, dass ein alarmierendes Schwefelwasserstoffergebnis nur angezeigt wird, wenn beide Messungen in einem vernünftigen Toleranzbereich hinsichtlich Vorhandensein und Menge des Schwefelwasserstoffgases im überwachten Bereich übereinstimmen, können Fehlalarme wegen atmosphärischer Absorption und/oder unzureichendem systemischen Signalrauschverhältnis stark reduziert werden. Eine berechnete Größe Q1, die auf leicht verrauschten Messungen bei 1589,42 nm beruht, muss durch eine ähnlich berechnete Größe Q2 einer weniger rauschbehafteten Messung bei 1589,97 nm bestätigt werden, während eine berechnete Größe Q2 für potentiell durch atmosphärischen Wasserdampfabsorption bei 1589,97 nm beeinflusste Messungen der Bestätigung durch eine ähnlich berechnete Größe Q1 bei 1589,42 nm bedarf, wo die Auswirkungen der Absorption durch atmosphärischen Wasserdampf vernachlässigbar sind.
  • Da Messungen bei 1589,42 nm nicht durch Wasserdampf beeinträchtigt werden, können diese zudem genutzt werden, um Auswirkungen von Wasserdampfabsorption auf Messungen bei 1589,97 nm zu erfassen, so dass derartige Effekte kompensiert werden können. Wird es in dieser Weise benutzt, ist das niedrigere Signalrauschverhältnis von Messungen bei 1589,42 nm kein signifikantes Problem, da sich die Auswirkungen von Wasserdampf normalerweise nicht schnell ändern und jede Kompensation auf den Durchschnitt von Messungen gestützt werden kann, die im Lauf mehrerer Minuten gemacht wurden.
  • Bei 1589,42 nm vorgenommene Messungen haben deshalb drei Vorteile. Erstens ermöglichen sie eine Reduktion der Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen wegen Systemrauschen, wenn sie mit Resultaten von Messungen bei 1589,97 nm verglichen und kombiniert werden. Zweitens ermöglichen sie es, die Auswirkungen von Wasserdampfabsorption auf Messungen bei 1589,97 nm zuverlässig von Auswirkungen einer Änderung der Zielgaskonzentration im überwachten Raum zu unterscheiden. Mit dieser Information ist es möglich, die Auswirkungen der Wasserdampfabsorption von Messungen bei 1589,97 nm zu subtrahieren, ohne die Fähigkeit der Vorrichtung, Schwefelwasserstoff nachzuweisen, zu verschlechtern. Und drittens eliminieren sie die Möglichkeit, dass selbst sehr rasche Änderungen der atmosphärischen Wasserdampfkonzentration Fehlalarme oder falsche Ergebnisse bewirken können. Selbst wenn noch nicht genug Zeit vergangen sein sollte, um die Messungen bei 1589,42 nm für eine präzise Kompensation der Auswirkungen von Wasserdampfabsorptionen bei 1589,97 nm zu nutzen, werden die 1589,42 nm Messungen bei einem Fehlen von Schwefelwasserstoff sein Vorhandensein nicht bestätigen.
  • Aus unterschiedlichen Gründen können diese drei Vorteile nicht genutzt werden, indem einfach eine einzelne Frequenz mit einer Amplitude moduliert wird, die ausreicht den Wellenlängenbereich abzutasten, in dem die beiden zu messenden Absorptionslinien sind. Erstens gibt es eine Reihe von sehr starken atmosphärischen Absorptionslinien zwischen 1589,42 nm und 1589,97 nm. Wenn der Laser über diese Linien durch gestimmt wird, während Messungen vorgenommen werden, bewirken diese Linien Oberschwingungskomponenten, die Messungen der schwächeren Schwefelwasserstoffabsorptionslinien ernsthaft beeinträchtigen. Zudem kann durch Abtasten und Messen auf diese Weise die Stärke der Absorption bei 1589,42 nm und 1589,97 nm nicht unabhängig gemessen werden, so dass die Resultate bei 1589,42 nm nicht zur Kompensation der Auswirkungen von Wasserdampf auf Messungen bei 1589,97 nm verwendet werden können. Schließlich führt das Abtasten und Messen bei einer einzigen Frequenz nicht zu der Verbesserung der Rate von Fehlalarmen, die durch Abtasten, Messen und Vergleichen der Resultate von zwei harmonisch nicht verwandten Frequenzen erzielt werden können.
  • Die Technik einen Laser so zu modulieren, dass er über zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche um zwei separate Absorptionslinien eines einzelnen Zielgases mit zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen f und f' abtastet, gefolgt von einem Vergleich der beiden Messergebnisse, um zu bestätigen, dass diese im Rahmen einer akzeptablen Toleranz übereinstimmen, kann vorteilhaft bei einer Reihe unterschiedlicher Anwendungen genutzt werden. Zu diesen gehören:
    • a) Das Zielgas hat eine relativ schwache Absorptionslinie in einem Bereich schwacher atmosphärischer Absorption und eine stärkere Absorptionslinie in einem Bereich stärkerer atmosphärischer Absorption;
    • b) Das Zielgas hat zwei schwache Absorptionslinien in einem Bereich schwacher bis mäßiger atmosphärischer Absorption; und/oder
    • c) Das Zielgas hat zwei starke Absorptionslinien in Bereichen, die von Absorption durch unterschiedliche atmosphärische Gase betroffen sind.
  • Für Schwefelwasserstoff gibt es Absorptionslinien bei 1582,13 nm, 1589,24 nm, 1589,42 nm, 1589,54 nm, 1589,97 nm und 1593,05 nm, die auf die vorstehend be schriebenen Arten kombiniert werden können, um einen sehr zuverlässigen Schwefelwasserstoffnachweis zu ermöglichen.
  • Die vorliegende Erfindung löst auch das mit Kohärenz/Interferenzeffekten verbundene Problem. Diese Effekte begrenzen oft die minimale Mess- oder Nachweisgrenze bei LDS basierten Vorrichtungen oder Nachweisgeräten.
  • Die durch kohärente Interferenz bewirkte Amplitudenmodulation hat eine sinusförmige Abhängigkeit von der Wellenlänge. Für kohärentes Licht der Wellenlänge A ist der Phasenunterschied, ausgedrückt als die Anzahl von Wellenzyklen Φn, zwischen Licht, das eine optische Oberfläche verlässt, und zurückkehrendem Licht, das in einem Abstand D von der optischen Fläche reflektiert wurde, gegeben durch: Φn = 2D/Λ
  • Die Amplitudenmodulation, die durch kohärente Interferenz zwischen Licht, das eine optische Oberfläche verlässt, und zurückkehrendem Licht, das in einem Abstand D von der optischen Fläche reflektiert wurde, durchläuft bei einer Wellenlängenänderung ∂Λ einen einzigen sinusförmigen Zyklus, der durch die folgende Gleichung beschrieben wird: (Λ + ∂Λ) = 2D/(Φn – 1)
  • 18 zeigt die Amplitudenmodulation, die auftritt, wenn die Wellenlänge der Laserdiode eine Zielgasabsorptionslinie 51 abtastet. Ein halber Zyklus eines Sinusbogens 52 und ein voller Zyklus eines Sinusbogens 53 wurden alle in das selben Wellenlängenintervall gezeichnet. 18 zeigt, dass wenn die Peritode der durch Kohärenz/Interferenzeffekte hervorgerufenen sinusförmigen Modulation näherungsweise dieselbe Breite wie die Zielgasabsorptionslinie hat, eine Wahrscheinlichkeit dafür besteht, dass eine derartige Modulation mit der Messung oder dem Nachweis der Zielgasabsorptionslinie korrelieren und interferieren wird.
  • Selbst bei extrem sorgfältiger Konzeption und Konstruktion eines LDS-Systems ist es nicht möglich, Kohärenz/Interferenzeffekte in derartigen Systemen vollständig zu eli minieren. Es ist lediglich möglich, deren Größe oder Auswirkungen auf die Systemleistung zu reduzieren. Bei LDS-Systemen, mit denen Messungen entlang offener atmosphärischer Pfade vorgenommen werden, wird die Situation beträchtlich dadurch erschwert, dass sich nicht kontrollieren lässt, was in dem offenen Teil des Systems geschieht. Beispielsweise kann Licht in dem offenen Pfad durch Regentropfen, Schnee, Neben, Dunst, und sich durch den Pfad bewegende Menschen oder Fahrzeuge gestreut oder reflektiert werden. Dies bewirkt eine Streuung oder Reflektion von Licht über Entfernungen und mit Intensitäten, die kaum oder gar nicht kontrolliert werden können. Bei einem LDS-System, das dazu dient Messungen entlang eines offenen Pfads vorzunehmen, besteht deshalb immer die Möglichkeit, dass Licht in einer Entfernung reflektiert oder gestreut wird, die kohärente Interferenzstreifen mit einer Periode erzeugt, die mit Messungen der Zielgasabsorptionslinie korreliert und diese beeinträchtigen.
  • Während sich Kohärenz/Interferenzeffekte in einem LDS-System, insbesondere einen mit einem offenen Messpfad arbeiteten System, nicht eliminieren lassen, ist es möglich, die Häufigkeit von Fehlalarmen, die auf derartigen Effekten beruhen, durch Gebrauch der in 19 dargestellten Vorrichtung zu reduzieren, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Die in 19 dargestellte Vorrichtung hat zwei Laserdioden 101 und 114, die bei mittleren Wellenlängen Λ1 und Λ2 betrieben werden. Diese Wellenlängen entsprechen zwei unterschiedlichen Absorptionslinien desselben Zielgases. Die Laser 101 und 114 befinden sich auf einem gemeinsamen temperaturstabilisierten Träger 102 und werden durch Antriebskreise 103 und 115 bei elektrischen Frequenzen f und f' betrieben und über Wellenlängenbereiche ∂Δ1 bzw. ∂Δ2 durch gestimmt. Die von den Lasern 102 und 114 ausgesandte Strahlung wird durch ein gemeinsames optisches Element 104 kollimiert und ausgerichtet, so dass die optische Strahlung der beiden Laser ein optisches Empfangselement 106 erreicht, nachdem der überwachte Raum 105 durchlaufen wurde. Das optische Empfangselement 106 fokussiert optische Strahlung von beiden Lasern auf einen Empfangsdetektor 107, wobei die optischen Signale effektiv zu einem einzigen elektrischen Signal mit Haupffrequenzanteilen f und f' kombiniert werden. Das Signal des Detektors 107 wird von dem Verstärker 108 verstärkt, von dem ADC 109 digitalisiert und von dem Signalverarbeitungssystem 116 verarbeitet.
  • Das elektrische Signal von dem Detektor 107 enthält zwei Sätze unabhängiger Frequenzkomponenten, die proportional zur Menge des im Messpfad vorhandenen Zielgases sind. Eine Menge des Zielgases Q1 wird aus der Amplitude der Frequenzkomponente f1 für Messungen berechnet, die um die Wellenlänge Λ1 beim Abtasten über einen Bereich ∂Λ1 durchgeführt worden. Eine Menge des Zielgases Q2 wird aus der Amplitude der Frequenzkomponente f2 für Messungen berechnet, die um die Wellenlänge Λ2 beim Abtasten über den Bereich ∂A2 vorgenommen wurden. Diese effektiv unabhängigen Messungen der Menge des Zielgases im überwachten Raum können dann verglichen und wie vorstehend beschrieben behandelt werden.
  • Zur Bewältigung mit Kohärenz/Interferenzeffekten verbundenen Probleme ist der Einsatz von zwei Laserdioden in einer in 19 dargestellten Anordnung mit den folgenden drei Vorteilen verbunden:
    • a) Die Wellenlängen Λ1 und Λ2 können unabhängig voneinander gewählt werden. Dies ermöglicht einen größeren Unterschied zwischen diesen Wellenlängen als es möglich wäre, wenn man einen einzigen Laser verwenden würde, der zwei Absorptionslinien desselben Zielgases abtastet. Der größere Wellenlängenunterschied bewirkt signifikant verschiedene Kohärenz/Interferenz-Modulationsperioden, wenn Licht von den beiden Lasern von einer gemeinsamen Oberfläche gestreut oder reflektiert wird, die im Vergleich zur Wellenlänge weit entfernt ist (> 1000 × Λ). Folglich ist die Wahrscheinlich für Kohärenz/Interferenzeffekte wegen Streuung oder Reflektion, die gleichzeitig denselben Netto-Störungseffekt bei beiden Messwellenlängen erzeugen, deutlich reduziert.
    • b) Die Laser können über deutlich verschiedene Wellenlängenbereiche durch gestimmt werden. Dies macht es möglich, sicherzustellen, dass von einer einzigen Oberfläche in einem Abstand D gestreutes oder reflektiertes Licht keine sinusförmige Amplitudenmodulation mit einer Periode wirken kann, die eng mit der Zielgasabsorptionslinie der beiden Laser korreliert ist. Effektiv ergeben sich zwei charakteristische Distanzen D und D', die ∂Λ1 bzw. ∂Λ2 entsprechen und bei denen Streuung oder Reflektion für einen der Laser aber nicht für den anderen ein Problem bedeuten könnte. Indem diese cha rakteristischen Abstände getrennt werden, so dass sie nie zusammenfallen und nicht harmonisch verwandt sind, kann Streuung oder Reflektion von einer einzigen Oberfläche nicht mehr signifikant beide Messungen zur selben Zeit beeinträchtigen.
    • c) Die physikalische Trennung in x, y und z zwischen den beiden Lasern reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass von einer gemeinsamen Oberfläche gestreutes oder reflektiertes Licht eine Modulation mit derselben Amplitude oder Phase auf die beiden Laserstrahlen aufprägt. Falls nötig können die Laser in Positionen angeordnet werden, in denen Interferenzen gemeinsamer Moden noch weiter reduziert werden.
  • Zusätzlich zu den vorstehenden Vorteilen hinsichtlich Kohärenz/Interferenzeffekten hat der Einsatz von zwei Lasern, die bei mittleren Wellenlängen Λ1 und Λ2 betrieben werden und Abtastbereiche ∂Λ1 und ∂Λ2 bei Frequenzen f und f' haben, zusammen mit Messungen der Frequenzkomponenten f1 und f2 die folgenden weiteren Vorteile:
    • d) Beide Laser können mit optimaler Ausgangsleistung bei ihren mittleren Wellenlängen betrieben werden, so dass alle Messung der Zielgasabsorption an Signalen optimaler Amplitude und folglich optimalem Signal-Rauschverhältnis vorgenommen werden können.
    • e) Die Wahl der Messwellenlängen ist nicht auf den Scannbereich eines einzigen Lasers begrenzt. Wellenlängen können mit beträchtlicher Freiheit gewählt werden, so dass beispielsweise zwei starke, entfernte Linien oder zwei Linien mit geringer atmosphärischer Beeinträchtigung oder zwei Linien, die durch unterschiedliche atmosphärische Gase beeinträchtigt werden, gemessen werden können.
    • f) Da jeder Laser die ganze Zeit seine Zielgasabsorptionslinie bei einer einzigen Frequenz abtastet, gibt es keine Systemsignal-Rauschverhältnisreduktion, wie sie beim Abtasten mit einem einzigen Laser auftritt, wenn abwechselnd zwei Frequenzen abgetastet werden.
    • g) Der Einsatz von zwei Lasern, die unterschiedliche Wellenlängen bei unterschiedlichen elektrischen Frequenzen abtasten, ermöglicht es, jede Messung als völlig unabhängig von der anderen zu behandeln. Statistische Berechnungen der Verbesserung der Fehlalarmrate können genutzt werden, um Wahrscheinlichkeiten falscher Alarme zu berechnen, die zu gering sind um durch wirtschaftlich vertretbare Testprogramme gemessen zu werden.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, dass die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen oder wegen Kohärenz/Interferenzeffekten fehlerhafter Ergebnisse reduziert, ist in 20 dargestellt. Bei der Vorrichtung von 20 sind Laserdioden 201 bzw. 214 auf separaten temperaturstabilen Trägern 202 und 220 montiert. Ihre Strahlung wird separat gesammelt und mittels der optischen Übertragselemente 204 bzw. 221 kollimiert, bevor sie den überwachte Raum 205 hin zu einem optischen Empfangselement 206 durchquert, das die Strahlung von den beiden Sendelasern auf einen optischen Detektor 207 fokussiert. Die Laser 201 und 214 werden von Antriebskreisen 203 bzw. 215 bei elektrischen Frequenzen f und f' angetrieben und über Wellenlängenbereiche ∂Λ1 bzw. ∂Λ2 durch gestimmt. Das Signal von dem Detektor 207 wird von dem Verstärker 208 verstärkt, vom ADC 209 digitalisiert und von einem Signalverarbeitungssystem 216 verarbeitet. Die optischen Elemente 204, 206 und 221 sind alle so gewählt, dass sie effektive Brennweiten und Dicken haben, die sich voneinander um nicht harmonische Faktoren unterscheiden.
  • Zur Bewältigung der mit Kohärenz/Interferenzeffekten verbundenen Probleme hat der Einsatz der in 20 gezeigten Vorrichtung die folgenden beiden Vorteile:
    • a) Die unterschiedlichen optischen Pfade für die Laserdioden in dem Sender 1 und 14 können gewählt werden, um zu gewährleisten, dass keine Interferenzstreifen mit gemeinsamer Periode die Strahlung der beiden Laser beeinträchtigt. Indem optische Elemente mit unterschiedlichen Brennweiten und unterschiedlichen Dicken verwendet werden, ist es insbesondere möglich, sicherzustellen, dass die unvermeidlichen Interferenzmuster, die auf Reflektion oder Streuung von Licht an Oberflächen dieser Elemente beruhen, deutlich unterschiedliche, harmonisch nicht verwandte Perioden haben.
    • b) Der Einsatz von unterschiedlichen optischen Elementen mit verschiedenen Brennweiten für jede Laserdiode bedeutet, dass beim Auftreten von Schnee, Kondensation oder Kontamination freier Oberflächen der optischen Elemente des Senders die für die jeweiligen Laserdiode gestreute oder zurückreflektierte optische Strahlung hinsichtlich Intensität und Verteilung unterschiedlich ist. Dies ist wichtig, weil die Wechselwirkung zwischen einer Laserdiode und rückgestreuter oder rückreflektierter Strahlung instabil und chaotisch ist. Die chaotische Natur dieser Wechselwirkung eröffnet die Möglichkeit, dass Schwingungen oder Störungen in dem von der Laserdiode ausgesandten Licht mit Perioden auftreten, die bei einer einfachen kohärenten Interferenz nicht auftreten könnten. Mit zwei Lasern, die unterschiedlichen Intensitäten und Verteilungen rückgestreuter oder rückreflektierter Strahlung ausgesetzt sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass beide gleichzeitig Strahlung aussenden, die Komponenten enthält, welche wie jene des Zielgases aussehen, deutlich reduziert.
  • Der Einsatz von unterschiedlichen optischen Pfaden mit optischen Elementen von unterschiedlicher effektiver Brennweite und Dicke im Sender, wie dies in 20 dargestellt ist, kann dahingehend ausgedehnt werden, dass verschiedene optische Pfade mit optischen Elementen unterschiedlicher effektiver Brennweiten und Dicken im Empfänger vorliegen. Eine Anwendung dieser Vorgehensweise beim Empfänger ermöglicht es, die Vorrichtung mit einem anderen Aufbau zu realisieren, der ähnliche Vorteile wie in 20 dargestellte Vorrichtung hat.
  • Die vorstehend beschriebenen und veranschaulichten Techniken sind nicht auf eine Reduktion von Fehlalarmen bei LDS-Systemen, die kleine anteilige Absorptionen detektieren, beschränkt. Die Techniken können auch zur Reduktion des Rauschens und zur Verbesserung der Messgenauigkeit genutzt werden, wenn es nötig ist, Messungen von Gaskonzentrationen vorzunehmen, die anteilige Absorptionen bewirken, die zu klein sind, um mit herkömmlichen LDS-Techniken präzise gemessen zu werden.
  • Wenn Messgenauigkeit wichtig ist, genügt es nicht, lediglich fehlerhafte Ergebnisse zu eliminieren, indem Umstände identifiziert werden, in denen eine oder mehrere von einem LDS-System gemachte Messungen nicht zuverlässig sind. Die mit der Ausrüstung vorgenommenen Messungen müssen auch durchgehend einer für die Anmeldung angemessenen Genauigkeitstoleranz genügen.
  • Betrachtet man eine Laserdiode, die zum Einsatz in Systemen vorgesehen ist, wie sie für die beanspruchte Erfindung beschrieben sind, sind einige Anforderungen dieser Komponente mit den DFB-Laserdioden, die üblicherweise in LDS-Systemen eingesetzt werden, schwer zu erfüllen. Insbesondere Anforderungen nach recht großen Wellenlängenscannbereichen und mehreren Lasern, die bei der richtigen Wellenlänge arbeiten, während sie auf einem gemeinsamen temperaturstabilisierten Träger sind, lassen sich mit DFBs nicht leicht erfüllen. Diese Anforderungen können jedoch durch VCSEL-Laserdioden erfüllt werden, die mit einem Antriebsstrom über einen wesentlich größeren Wellenlängenbereich durch gestimmt werden können. Diese Eigenschaft ermöglicht die Durchführung des erforderlichen Wellenlängenscanns und erleichtert gleichzeitig die Anpassung der mittleren Ausgangswellenlänge, wenn die Betriebstemperatur auf einen gemeinsamen Wert eingestellt wird. Langwellige VCSEL-Laserdioden sind geradezu ideal für den Gebrauch bei der beanspruchten Erfindung geeignet.
  • Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die Strahlung der Laserdioden gesammelt und durch einen überwachten Raum geschickt und beleuchtet anschließend einen Empfangsdetektor. Die Erfindung kann jedoch auch vorteilhaft in einer Vorrichtung genutzt werden, in der eine zu messende Gasprobe in eine Probenmesskammer gebracht wird, um in der vorstehend beschriebenen Weise beleuchtet und gemessen zu werden. Diese Vorgehensweise kann insbesondere bei Anwendungen wie die Prozessüberwachung nützlich sein, oder wenn es nicht praktikabel ist, einen Messstrahl ohne vorhergehende Probenaufbereitung durch das Gas zu schicken.
  • In Situationen, in denen es nötig ist, extrem kleine anteilige Absorptionen zu messen oder in denen optische Verluste bedeuten, dass das Systemsignal-Rauschverhältnis immer noch unzureichend ist, um den erforderlichen Grad an Messungszuverlässig keit zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, die vorstehend beschriebenen Ansätze auszudehnen. Anstatt jede Zielgaslinie bei einer einzigen elektrischen Frequenz abzutasten, kann insbesondere jede Zielgaslinie bei zwei, harmonisch nicht verwandten elektrischen Frequenzen abgetastet werden, wobei Messungen der Absorption jeder Linie auf die Größe von zwei Oberschwingungen ähnlicher Ordnung der harmonisch nicht verwandten Scannfrequenzen gestützt werden. Dieses Verfahren könnte für jede Absorptionslinie, die abgetastet wird, ausgeführt werden. Wird das Verfahren gleichzeitig durchgeführt, können alle verwendeten elektrischen Scannfrequenzen so gewählt werden, dass sie nicht harmonisch verwandt sind.
  • Die vorstehend unter Bezugnahme auf die 18 und 19 beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, dass die Ausgabe des optischen Detektors verstärkt, digitalisiert und anschließend von einem gemeinsamen digitalen Signalverarbeitungssystem verarbeitet wird. Diese Maßnahme des Sammelns, Übertragens und Messen der Laserdiodenstrahlung ist eine einfache und kostengünstige Umsetzung der beanspruchten Erfindung. Es ist jedoch auch auf andere Weise möglich, die Erfindung in einer Vorrichtung zu realisieren, in der die Größen der Frequenzkomponenten bestimmt werden, indem das Detektorsignal verstärkt wird und gleichzeitig die verschiedenen Frequenzanteile mittels mehrer synchron arbeitender Detektoren parallel bei verschiedenen Frequenzen an dem selben Signal bestimmt werden. Die Ausgaben der synchronen Detektoren werden anschließend digitalisiert und zur Berechnung der Menge des im Messpfad vorhandenen Zielgases wie vorstehend beschrieben genutzt. Diese Umsetzung macht einen großen analogen elektronischen Schaltungsaufwand erforderlich und beseitig nicht die Notwendigkeit einer Digitalisierung der Signaldaten vor einer weiteren Verarbeitung im digitalen Bereich, ist jedoch eine brauchbare Umsetzung der beanspruchten Erfindung.
  • Bei der Vorrichtung der 21 sind Laserdioden 301 und 314 jeweils auf unterschiedlichen temperaturstabilisierten Trägern 302 bzw. 320 angeordnet. Deren Strahlung wird von den optischen Übertragungselementen 304 und 321 separat gesammelt und kollimiert, bevor eine Übertragung durch den überwachten Raum 305 stattfindet. Die Laser 301 und 314 werden durch Antriebskreise 303 bzw. 315 bei elektrischen Frequenzen f und f' betrieben und über Wellenlängenbereiche ∂Λ1 bzw. ∂Λ2 durch gestimmt. Nach Durchlaufen des überwachten Bereichs 305 werden die beiden Strahlen kollimierter Strahlung mittels optischer Elemente 306 bzw. 322 auf zwei optische Detektoren 307 bzw. 323 fokussiert. Die elektrischen Signale der Detektoren 307 und 323 werden von Verstärkern 308 bzw. 324 verstärkt, von ADCs 309 bzw. 325 digitalisiert und anschließend von einem Signalverarbeitungssystem 326 verarbeitet.
  • Bei der Vorrichtung der 22 sind Laserdioden 401 bzw. 414 auf einem gemeinsamen temperaturstabilisierten Träger 402 angeordnet. Ihre Strahlung wird von einem gemeinsamen optischen Übertragungselement 404 gesammelt und kollimiert, bevor eine Übertragung durch den überwachten Raum 405 stattfindet. Die Laser 401 und 414 werden von Antriebskreisen 403 bzw. 415 bei elektrischen Frequenzen f und f' angetrieben und über Wellenlängenbereiche ∂Λ1 bzw. ∂Λ2 durch gestimmt. Nach Durchlaufen des überwachten Raums 405 werden die beiden Strahlen kollimierter Strahlung auf die beiden optischen Detektoren 407 bzw. 423 von den optischen Elementen 406 bzw. 422 fokussiert. Die elektrischen Signale der Detektoren 407 und 423 werden von den Verstärkern 408 bzw. 424 verstärkt, von den ADCs 409 und 425 digitalisiert und anschließend von einem Signalverarbeitungssystem 426 verarbeitet.
  • Bei der Figur der 23 sind Laserdioden 501 und 514 auf separaten temperaturstabilisierten Trägern 502 bzw. 520 angeordnet. Deren Strahlung wird von optischen Übertragungselementen 504 und 521 separat gesammelt und kollimiert, bevor eine Übertragung durch den überwachten Raum 505 stattfindet. Die Laser 501 und 514 werden von Antriebskreisen 503 bzw. 515 bei elektrischen Frequenzen f und f' angetrieben und über Wellenlängenbereiche ∂Λ1 bzw. ∂Λ2 durch gestimmt. Nach Durchlaufen des überwachten Raums 505 werden die beiden im wesentlichen parallelen Strahlen kollimierter Strahlung mittels optischer Elemente 506 bzw. 522 auf zwei optische Detektoren 507 bzw. 523 fokussiert. Die elektrischen Signale der Detektoren 507 und 523 werden von Verstärkern 508 bzw. 524 verstärkt, von ADCs 509 und 525 digitalisiert und anschließend von einem Signalverarbeitungssystem 526 verarbeitet.
  • Die Forderung, Messungen durchgehend mit einer vorgegebenen Genauigkeit durchzuführen, während Gase gemessen werden, die kleine anteilige Absorptionen bewirken, kann durch eine Vorrichtung, wie sie in 24 gezeigt ist, erfüllt werden, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Die Vorrichtung der 24 hat drei Laserdioden 601, 614 und 617, die bei mittleren Wellenlängen Λ1, Λ2 und Λ3 arbeiten und durch Laserantriebskreise 603, 605 und 618 angetrieben werden und Bereiche ∂Λ1, ∂Λ2 und ∂Λ3 bei elektrischen Frequenzen f, f' und f'' abtasten. Die Strahlung der Laserdioden 601, 614 und 617 wird von einem optischen Übertragungselement 604 kollimiert, durch den überwachten Raum 602 geschickt und dann auf einen Empfangsdetektor 607 durch ein optisches Empfangselement 606 fokussiert. Das Signal von dem Detektor 607 wird von einem Verstärker 608 verstärkt, von einem ADC 609 digitalisiert und von einem Signalverarbeitungssystem 626 verarbeitet.
  • Die Menge des in dem überwachten Raum 605 vorhandenen Zielgases ist proportional zur normalisierten Amplitude der Frequenzkomponenten f1, f2 und f3, die durch Absorption optischer Strahlung vom Zielgas bewirkt werden, wenn jede Laserwellenlänge über ihre entsprechende Zielgasabsorptionslinie durch gestimmt wird. Um die besten Resultate zu erzielen, sollten die Mengen Q1, Q2 und Q3 zur Kalkulation der Menge an Zielgas im überwachten Raum in Kombination mit Ergebnisses vorhergehender Messungen genutzt werden, wobei von der Qualität der Übereinstimmung zwischen den Größe abhängende Regeln verwendet werden. Diese Regeln und die beabsichtigten Auswirkungen sind wie folgt:
    • RB1 Wenn Q1, Q2 und Q3 gut übereinstimmen, wird zur Berechnung der im überwachten Raum 605 vorhandenen Gasmenge ein großer Anteil des Durchschnitts von Q1, Q2 und Q3 als ausgleichender Anteil zum laufenden Durchschnitt vorausgehender Resultate addiert. Dies ermöglicht es, dass die Ausgabe der Vorrichtung Änderungen der Menge des im überwachten Bereich vorhandenen Zielgases rasch folgt, wenn die Zuverlässigkeit von allen jüngeren Messungen groß ist.
    • RB2 Wenn entweder Q1 und Q2 oder Q2 und Q3 oder Q1 und Q3 miteinander und dem laufenden Durchschnitt vorausgehender Resultate gut übereinstimmen, wird die Größe, welche nicht gut übereinstimmt, verworfen, während zur Berechnung der im überwachten Raum 605 vorhandenen Zielgasmenge ein großer Anteil des Durchschnitts der verbleibenden Größen als ausgleichender Anteil zu einem laufenden Durchschnitt der vorausgehenden Resultate addiert wird. Dies verhindert, dass Messungen, deren Zuverlässigkeit nicht ausreichend groß ist, die Ausgabe der Vorrichtung beeinträchtigen, während zuverlässige Messungen dazu beitragen, die Ausgabe der Vorrichtung präzise und aktuell zu halten.
    • RB3 Wenn Q1, Q2 und Q3 vernünftig aber nicht gut miteinander und dem laufenden Durchschnitt vorhergehender Resultate übereinstimmen, wird zur Berechnung der Menge des im überwachten Raum 605 vorhandenen Gases ein kleinerer Anteil des Durchschnitts von Q1, Q2 und Q3 zu einem größeren ausgleichenden Anteil des laufenden Durchschnitts vorhergehender Resultate addiert. Dies ermöglicht es, bei der Ausgabe die jüngsten Messungen zu berücksichtigen, während die Auswirkungen, die evtl. Fehler dieser Messungen auf die Ausgabe der Vorrichtung haben könnten, begrenzt werden.
    • RB4 Wenn Q1, Q2 und Q3 miteinander vernünftig aber nicht gut übereinstimmen, jedoch nicht vernünftig oder gut mit dem laufenden Durchschnitt vorhergehender Resultate übereinstimmen, wird ein noch kleinerer Anteil des Durchschnitts von Q1, Q2 und Q3 zu einem noch größeren ausgleichenden Anteil des laufenden Durchschnitts der vorausgehenden Resultate zur Berechnung der Menge des im überwachten Raum 605 vorhandenen Gases addiert. Dies macht es möglich bei der Ausgabe evtl. jüngste Messungen zu berücksichtigen, während der Einfluss von potentiellen Fehlern, welche die Messungen möglicherweise haben können, auf die Ausgabe der Vorrichtung begrenzt wird, bis zuverlässigere Messungen zur Verfügung stehen.
    • RB5 Wenn nur eine einzige der Größen Q1, Q2 und Q3 mit dem laufenden Durchschnitt vorhergehender Resultate in guter Übereinstimmung ist, werden die übrigen Größen verworfen und ein Anteil der verbleibenden Größe zu einer größeren ausgleichenden Anteil des laufenden Durchschnitts vorhergehender Resultate zum Gebrauch in der Berechnung der Menge des in dem überwachten Raum 605 vorhandenen Gases hinzu addiert. Auf diese Weise kann sich die Ausgabe der Vorrichtung in die richtige Richtung bewegen, wenn die beiden übrigen jüngsten Messungen unzuverlässig sind. (Diese Situation sollte nicht häufig sein, wenn das System korrekt arbeitet).
    • RB6 Wenn Q1, Q2 und Q3 miteinander und mit dem Durchschnitt vorhergehender Resultate übereinstimmen, werden Q1, Q2 und Q3 zurückgewiesen und die Berechnung der in dem überwachten Raum 605 vorhandenen Gasmenge ausschließlich auf den laufenden Durchschnitt vorhergehender Resultate gestützt, wobei der ausgleichende Anteil gleich 1 gesetzt wird. Dies erlaubt es, falsche Ergebnisse wegen unzuverlässiger Messungen effektiv auszuschließen, während die Ausgabe der Vorrichtung auf der letzten Stufe gehalten wird, die ausreichend zuverlässig ist. (Bei Gebrauch einer Systemkonfiguration wie in 24 gezeigt sollte die Wahrscheinlichkeit einer solchen Situation sehr gering machen. Wenn diese Situation anhält, liegt wahrscheinlich ein Problem vor, das einem Benutzer angezeigt werden sollte.)
  • Die vorstehenden Regeln RB1 bis RB6 zum Gebrauch der Größen Q1, Q2 und Q3 in Kombination mit dem laufenden Durchschnitt vorhergehender Resultate können weiter verfeinert werden, indem die Anteile aktueller und vorhergehender Messungen, die gemäß der qualitativen Übereinstimmung zwischen ihnen angewendet werden, angepasst werden. Derartige Anpassungen hängen davon ab, wo die Resultate in dem qualitativen Übereinstimmungsbereich für eine bestimmte Regel liegen.
  • Die Mittel zum Sammeln und Kollimieren der optischen Strahlung der Laserdiode(n) brauchen nicht auf einfache optische Elemente begrenzt sein. Die zu diesem Zweck verwendeten optischen Elemente können eine Reihe von separaten optischen Elementen umfassen, die zum Durchführen der nötigen Funktion der Laserdiodenstrahlungssammlung, Kollimation und Übertragung durch den überwachten Raum kombiniert werden. Zudem müssen diese optischen Elemente nicht auf die dargestellten optischen Freiraumelemente begrenzt sein. Die Strahlung von der Laserdiode(n) kann in faseroptische Kabel eingespeist und einem oder mehreren optischen Elementen zugeführt werden, welche die Strahlung kollimieren und durch den überwachten Raum übertragen.
  • Werte oder Messungen von Gasdetektoren oder verwandten Instrumenten werden mit verschiedenen Mitteln ausgegeben. Diese hängen hauptsächlich davon ab, wie und wofür die Werte der Messungen verwendet werden. Die Ausgabemittel für Werte von Messungen der beanspruchten Erfindung können ein analoges elektrisches Signal umfassen, das der Konzentration oder Menge des Gases proportional ist, ein digitales elektronisches Signal, das einem definierten Protokoll folgt und numerische Daten enthält, welche die Konzentration oder Menge des Gases wiedergeben, eine numerische Darstellung der Konzentration oder Menge von Gas auf einem Display und das Öffnen oder Schließen von Relais bei vorgegebenen Konzentrationen oder Mengen von Gas.
  • Nachweis gefährlicher Gase
  • Betrachtet man die Konzeption eines idealen Detektors gefährlicher Gase für die petrochemische Industrie, der die vorstehend erläuternden Anforderungen erfüllt, stellen sich dem Entwickler bei Gebrauch herkömmlicher LDS-Techniken drei Schlüsselprobleme. Erstens ist der durchstimmbare Wellenlängenbereich der meisten Laserdioden nur einige Nanometer groß. Dieser relativ kleine durchstimmbare Bereich genügt nicht, um Messungen zu ermöglichen, die an einer großen Anzahl von Gasen vorgenommen werden sollen. Zweitens eignet sich die LDS-Technik nur für Messungen von Gasen mit engen, gut aufgelösten Absorptionscharakteristika oder -linien. Gasmoleküle, welche enge, gut aufgelöste Absorptionscharakteristika zeigen, sind kleine, einfache Moleküle. Butan und Propylen sind jedoch keine kleinen, einfachen Moleküle und ihre Absorptionsspektra enthalten keine engen, gut aufgelösten Absorptionscharakteristika oder -linien. Das dritte Schlüsselproblem beruht auf der Tatsache, dass Schwefelwasserstoff einen Schwellengrenzwert (Threshold Limit Value) von 10 ppm hat und nur schwache Absorption in den Wellenlängenbereichen zeigt, die Raumtemperaturlaserdioden zugänglich sind. In dem 1550 nm- bis 1625 nm-Bereich, der am besten zum Nachweis von Schwefelwasserstoff geeignet ist, erzeugen 10 ppm·m H2S eine maximale anteilige Absorption von nur 4 × 10–6. Das ist zu wenig, um für sicherheitsrelevante Anwendungen zuverlässig genug detektiert zu werden. Eine genaue Untersuchung der Absorptionsspektren von Methan, Ethan, Propan, Butan, Ethylen, Propylen und Schwefelwasserstoff, wie in den 24 bis 30 dargestellt, zeigt, dass über den Bereich von 1600 nm bis 1785 nm weder Bu tan noch Propylen Absorptionsmerkmale haben, die für konventionelle LDS-Messungen geeignet sind, während Propan nur eine einzige gut aufgelöste Charakteristik bei 1686,5 nm hat. Zudem gibt es keinen Wellenlängenbereich, in dem es möglich wäre, Messungen an allen interessierenden brennbaren Gasen und Schwefelwasserstoff vorzunehmen.
  • 32 zeigt einen Detektor für gefährliche Gase gemäß der vorliegenden Erfindung, der diese Probleme löst. Gemäß 32 ist eine Laserdiode 701 auf einen Träger 702 montiert und von einem Antriebskreis 711 gespeist.
  • Bei der Auswahl der Laserdiode für eine Vorrichtung, wie sie in 32 gezeigt ist, sind einige Anforderungen, denen diese Komponente genügen muss, schwer zu erfüllen mit Distributed-Feedback (DFB, verteilten Rückkopplungs) Laserdioden, die üblicherweise in LDS-Systemen verwendet werden. Insbesondere die Anforderung eines relativ großen Wellenlängenscannbereichs lässt sich mit DFB-Lasern nicht leicht erfüllen. Diese Anforderungen können jedoch mit einer Vertical-Cavity-Surface-Emiting-Laser(VCSEL)-Laserdiode erfüllt werden, die durch einen wesentlich größeren Wellenlängenbereich mit dem Antriebsstrom durchstimmbar ist. Langwellige VCSEL-Laserdioden sind deshalb für die vorliegende Erfindung bevorzugt.
  • Die VCSEL 701 hat eine nominale Wellenlänge von 1685,5 nm und kann durch Strom über einen Bereich von 1684 nm bis 1587,5 nm durch gestimmt werden. Sie bietet auf diese Weise Zugang zu den starken Absorptionslinien oder Charakteristika von Methan bei 1684 nm und 1687,3 nm, Ethan bei 1684,3 nm, Propan bei 1686,4 nm und Ethylen bei 1687,0 nm. (Siehe 32 bis 35.) Die von der Laserdiode 701 ausgegebene Strahlung wird von einem optischen Element 704 gesammelt und kollimiert. Der resultierende Strahl wird durch den überwachten Raum 705 zu einem optischen Empfangselement 706 geleitet, welches die erhaltene Strahlung auf einen Detektor 707 fokussiert. Das Signal von dem Detektor 707 wird mit einem Verstärker 708 verstärkt und von einem ADC 709 digitalisiert. Anschließend wird es von einem signalverarbeitenden System 712 verarbeitet, um festzustellen, welche Gase ggf. in dem überwachten Raum in welchen Mengen vorhanden sind. Die Bestimmung welche brennbaren Gase ggf. in dem überwachten Raum vorhanden sind, basiert auf den bekannten Charakteristika der Absorptionslinien und Merkmale von Methan, E than, Propan und Ethylen, die der Detektor erfasst. Die Mengen, mit denen die Gase jeweils in dem überwachten Raum vorhanden sind, werden separat über eine Ausgabeschnittstelle 713 ausgegeben.
  • 37 veranschaulicht einen Antriebsstrom, der an die Laserdiode 701 über den Antriebskreis 711 angelegt werden kann. Die vorspannende Komponente des Stroms wechselt zwischen den Stufen A, B, C und D. Diese Stufen wurden so gewählt, dass die Laserdiode 701 bei mittleren Wellenlängen nahe an den verschiedenen Zielgasabsorptionslinien und Merkmalen bei 1684,3 nm, 1686,4 nm, 1687,0 nm bzw. 1687,3 nm betrieben werden kann. Die Amplituden der sinusförmigen Stromkomponenten, welche die Wellenlänge der Laserdiode über die jeweilige Zielgasabsorptionslinie oder das jeweilige Merkmal durch stimmen, sind unabhängig voneinander für die jeweilige Absorptionslinie oder das jeweilige Merkmal optimiert. Sowohl die Amplituden der vorspannenden als auch der sinusförmigen Komponenten sind sorgfältig gewählt, um zu vermeiden, dass der Laser Absorptionslinien von atmosphärischem Wasserdampf bei 1684,23 nm, 1687,07 nm und 1685,92 nm abtastet.
  • Die starke Methanlinie bei 1684 nm wird bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung nicht verwendet, da diese Wellenlänge sehr nahe an einer starken Wasserdampfabsorptionslinie liegt, die entlang eines offenen atmosphärischen Pfads durchgeführte Messungen stören könnte (siehe 38).
  • Es gibt zwei von dem Signalverarbeitungssystem 712 der 32 durchgeführte Verfahren, die näherer Erläuterung bedürfen. Diese Verfahren betreffen die Bestimmung, welches Gas in dem überwachten Raum 705 vorhanden ist, und eine Schätzung der vorhandenen Menge Schwefelwasserstoffs.
  • Erstens basiert die Bestimmung welche Gase in dem überwachten Raum 705 vorhanden sind auf einer Analyse eines Satzes von Messresultaten, wobei der Laser bei jeder mittleren Wellenlänge nahe an einer starken Absorptionslinie oder Charakteristika von Ethan, Propan, Ethylen bzw. Methan arbeitet. Um das oder die vorhandenen Gase zu bestimmen, muss bei der Auswertung berücksichtigt werden, dass Ethan und Ethylen mehrere Absorptionscharakteristika in dem 1684 nm bis 1687,5 nm Wellenlängenbereich haben.
  • Die Untersuchung der Messresultate von Abtastungen, die mit vorspannenden Strömen A, B, C und D vorgenommen wurden, kann in vier Schritten wie folgt ablaufen. Erstens werden die Signale für Zeiträume, die den vorspannenden Strömen A, B, C und D entsprechen, in separaten Abschnitten ausgewählt und Fourier-transformiert. Anschließend werden die Oberschwingungskomponenten bei jeder Fourier-Transformierten hinsichtlich der Amplitude der grundlegenden, wellenlängenscannenden Frequenzkomponente normalisiert. Anschließend werden die relativen Amplitudenmuster der gemessenen Oberschwingungskomponenten mit den bekannten relativen Amplitudenmustern für die Oberschwingungskomponenten, die von dem jeweiligen Zielgas bei der jeweils gegebenen vorspannenden Stromstärke erzeugt werden, verglichen. Schließlich werden die Ergebnisse dieses Vergleichs der Muster bei dieser vorspannenden Stromstärke logisch und proportional kombiniert, um das oder die in dem überwachten Raum vorhandenen Gase zu identifizieren.
  • Da das relative Amplitudenmuster für das jeweilige Zielgas für den jeweiligen vorspannenden Strom bekannt ist, können alle Vergleichsresultate für alle vorspannenden Stromstärken einen Beitrag zur Identifikation des oder der in dem überwachten Raum 705 vorhandenen Gase liefern. Das Fehlen von Oberschwingungen bei einem Abtasten um eine mittlere Wellenlänge, bei der das Gas bekanntermaßen nicht absorbiert, kann zur Bestätigung des Vorhandenseins eines besonderen Gases, das evtl. vorhanden ist, beitragen. Durch ähnliche Überlegungen kann das Vorhandensein von Oberschwingungen bei einem Abtasten um eine mittlere Wellenlänge, bei der das Gas bekanntermaßen nicht absorbiert, zur Elimination eines bestimmten nachzuweisenden Gases beitragen.
  • Nachdem das oder die in dem überwachten Raum 705 vorhandenen brennbaren Gase identifiziert wurden, kann die Menge des jeweils vorhandenen Gases berechnet werden. Diese Berechnung nutzt für jedes identifizierte Gas bekannte Absorptionsquerschnitte und das Beersche Gesetz, um die Gasmenge zu berechnen, die erforderlich ist, um normalisierte Oberschwingungskomponenten der gemessenen Stärke zu erzeugen.
  • Hinsichtlich der Frage, wie eine Abschätzung der im überwachten Raum 705 vorhandenen Menge an Schwefelwasserstoff erzielt werden kann. Dies kann aus der in dem überwachten Raum gemessenen Methanmenge und dem Wissen der relativen Konzentration von Methan und Schwefelwasserstoff in der Glaslösung eines gegebenen Öl- oder Gasfeldes geschlossen werden.
  • Eine Schätzung der in dem überwachten Raum 705 vorhandenen Menge an Schwefelwasserstoff anstatt eines Versuchs einer Messung ist aus einer Reihe von Gründen berechtigt. Erstens sind für saure Öl- oder Gasfelder die relativen Konzentrationen von Methan und Schwefelwasserstoff in der Gaslösung des Feldes bekannt. Zweitens, wenn Gaslösungen aus Behältern austreten, die Öl oder Gas aus einem sauren Feld enthalten, sind die relativen Konzentrationen von Methan und Schwefelwasserstoff im austretendem Gas mit denen der der Gaslösung in dem Behälter identisch. Drittens sind Methan und Schwefelwasserstoff in der Gaslösung gut gemischt und trennen oder schichten sich nicht, wenn sie in die Umgebung des undichten Gefäßes austreten. Viertens sind evtl. Änderungen der in der Gaslösung eines Öl- oder Gasfelds vorhandenen Menge an Schwefelwasserstoff nur sehr mäßig.
  • Die Mathematik zum Berechnen einer Abschätzung der in dem überwachten Raum 705 vorhandenen Menge an Schwefelwasserstoff basierend auf der gemessenen Methanmenge ist relativ einfach. Ein einzelner Koeffizient KH2S kann basierend auf den bekannten relativen Konzentrationen von Methan und Schwefelwasserstoff in der Gaslösung des Feldes errechnet werden, wobei KH2S = [Schwefelwasserstoff]/[Methan]
  • Detektiert beispielsweise ein Detektor zum Nachweisen gefährlicher Gase gemäß der vorliegenden Erfindung 4.800 ppm·m Methan, wenn bekannt ist, dass die Gaslösung des Feldes 960.000 ppm Methan und 10.000 ppm Schwefelwasserstoff enthält, ist die geschätzte Menge an vorhandenem Schwefelwasserstoff: H2S = 4.800 × KH2S = 4.800 × 10.000/960.000 = 50 ppm·m
  • Bei einem 10 m langen überwachten Raum würde der beanspruchte Detektor eine durchschnittliche Schwefelwasserstoffkonzentration von 5 ppm andeuten, was 50% der TLV von Schwefelwasserstoff ist.
  • Um eine Schätzung der in dem überwachten Raum vorhandenen Schwefelwasserstoffmenge, wie für die beanspruchte Erfindung beschrieben wurde, zu erleichtern, sind Mittel vorgesehen, um dem Signalverarbeitungssystem 712 den berechneten KH2S-Koeffizienten für die Gaslösung bei oder von einem gegebenen Feld mitzuteilen. Indem man es ermöglicht, den KH2S-Koeffizienten bei Bedarf anzupassen, kann Änderung der sauren Eigenschaften der Gaslösung eines speziellen Feldes Rechnung getragen werden.
  • Mit dem Abschätzen der Schwefelwasserstoffmenge sind eine Reihe von Vorteilen verbunden:
    • a) Es ermöglicht den Bau eines einzelnen Detektors für gefährliche Gase, der dazu in der Lage ist, Warnungen vor Gefahren sowohl durch brennbare als auch durch giftige Gase, die typischerweise in petrochemischen Anlagen auftreten, zu geben.
    • b) Der Nachweis von Methan ist durch Einsatz von LDS-Techniken wesentlich einfacher als der Nachweis von Schwefelwasserstoff mittels LDS-Techniken. Insbesondere sind die optischen Absorptionslinien von Methan, die Raumtemperaturlaserdioden zugänglich sind, mindestens eine Größenordnung stärker als zugängliche optische Absorptionslinien von Schwefelwasserstoff.
    • c) Bei der weit überwiegenden Mehrzahl von Öl- oder Gasfeldern ist Methan der Hauptbestandteil von Gaslösungen. Der Nachweis des Hauptbestandteils einer Gaslösung erhöht die Wahrscheinlichkeit eines frühzeitigen Nachweises austretender Gaslösung.
    • d) Im Gegensatz zu herkömmlichen Detektoren für brennbare Gase kann mit der vorliegenden Erfindung das in dem überwachten Raum vorhandene brennbare Gas identifiziert und eine Schätzung der vorhandenen Menge an Schwefelwasserstoff signalisiert werden, wenn es sich bei diesem Gas um Methan handelt. Kleine Hindergrundkonzentrationen von brennbaren Gasen oder Dämpfen, die in petrochemischen Anlagen weit verbreitet aber nicht gefährlich sind, führen nicht zu einer Warnung vor einer Schwefelwasserstoffgegefahr.
  • Der so erhaltene Detektor für gefährliche Gase ist wesentlich einfacher als ein LDS basierter Detektor, der dazu in der Lage ist, sowohl Methan als auch Schwefelwasserstoff zu messen. Diese Einfachheit ist von Vorteil, weil es die Zuverlässigkeit und Robustheit des Gasdetektors verbessert und gleichzeitig die Herstellungskosten senkt. Wenn Betreiber von petrochemischen Anlagen nur Gasdetektoren eines einzigen Typs zu Installieren haben, wird dies zudem die Installations- und Betriebskosten der Gasnachweissysteme senken.
  • Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten zur Ausgabe von Ergebnissen des beanspruchten Detektors für gefährliche Gase. Die Vorrichtung kann mehrere analoge oder digitale Anzeigeeinrichtungen aufweisen, die jeweils die Menge eines bestimmten Gases anzeigen. Es kann ein Bildschirm vorgesehen sein, mit dem Werte der einzelnen Gase, die nachgewiesen werden können, angezeigt werden. Die Vorrichtung kann mehrere analoge elektrische Ausgaben bereitstellen, die jeweils ein Signal liefern, das der Menge eines bestimmten Gases proportional ist. Ein digitales elektronisches Signal, das einem festgelegten Protokoll entspricht und numerische Daten enthält, kann bereitgestellt werden, um die Konzentration oder Menge des jeweiligen Gases auszugeben. Im übrigen können Resultate das Öffnen oder Schließen von Relais bei vorgegebenen Konzentrationen des brennbaren Gases oder von Schwefelwasserstoff bewirken.
  • Ebenso wie bei den übrigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, müssen die Mittel zum Sammeln und Kollimieren der optischen Strahlung von der Laserdiode nicht auf das einfache in 32 darstellte optische Element begrenzt sein. Das zu diesem Zweck verwendete optische Element kann eine Anzahl separa ter optischer Elemente enthalten, die kombiniert sind, um die erforderliche Funktion der Laserdiodenstrahlungssammlung, Kollimation und Übertragung durch den überwachten Raum zu erfüllen. Zudem müssen diese optischen Elemente nicht auf die dargestellten optischen Freiraumelemente beschränkt sein. Die Strahlung von der Laserdiode kann in ein faseroptisches Kabel eingekoppelt und einen oder mehreren optischen Elementen zugeführt werden, welche die Strahlung kollimieren und durch den überwachten Raum schicken.
  • 39 zeigt einen Antriebsstrom, mit dem die Zuverlässigkeit der Identifikation oder Unterscheidung von Gasen wie Propan und Ethylen weiter verbessert werden kann. Die vorspannende Komponente des Antriebsstroms hat eine Steigung beim Abtasten von Wellenlängenbereichen, welche die stärksten Absorptionsmerkmale enthalten. Auf diese Weise wird die durchschnittliche Wellenlänge der Laserdiode nach und nach durch den Bereich des interessierenden Absorptionsmerkmals durch gestimmt. Das Muster der bei einem solchen Durchstimmen erzeugten Oberschwingungskomponenten ist anders, wenn Absorptionsmerkmale mit unterschiedlichen Formen abgetastet werden. Diese Unterschiede können verwendet werden, um Propan von Ethylen zu unterscheiden, obwohl die Absorptionsmerkmale bei gemeinsamen Wellenlängen liegen.
  • Fachleute werden erkennen, dass die Anwendung einer Steigung beim vorspannenden Strom ausgedehnt werden kann, um das gesamte Wellenlängengebiet zwischen 1684 nm bis 1687,3 nm zu umfassen. Dies ist mit dem Effekt verbunden, die Bestimmung eines Absorptionsspektrums für den überwachten Raum im Bereich von 1684 nm bis 1687,3 nm zu ermöglichen. Dieses Spektrum würde Messungen der Absorption durch atmosphärischen Wasserdampf bei 1684,23 nm, 1687,07 nm und 1685,92 nm enthalten. Der Nachteil ein solches Spektrum für den gesamten Wellenlängenbereich von 1684 nm bis 1687,3 nm aufzunehmen besteht darin, dass die einzig interessanten Bereiche in und um die Gasabsorptionslinien und Charakteristika bei 1684,31 nm, 1686,4 nm, 1687,0 nm und 1687,3 nm liegen. Indem Zeit aufgewandt wird, Regionen zu messen, die nicht oder nur von begrenztem Interesse sind, reduziert sich die zum Messen von vordringlich interessanten Bereichen aufgewandte Zeit, wobei der Effekt auftritt, dass sich das gesamte Systemsignal-Rauschverhältnis verschlechtert. Aus diesem Grund bewirken die Wellenformen des Laserantriebsstroms bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der beanspruchten Erfindung ein Abtasten des Lasers von diskreten, nicht zusammenhängenden Wellenbereichen, wie von den 36 bis 38 zu verstehen ist.
  • Obwohl in einem Detektor für gefährliche Gase gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein VCSEL-Laser verwendet wird, mit dem sich der Bereich von 1684 nm bis 1687,5 nm abtasten lässt, was zum Detektieren der meisten brennbaren Gase, die in petrochemischen Anlagen auftreten, ausreicht, ist es nicht die einzige Möglichkeit, mit der die vorliegende Erfindung die beschriebene Technik zum Schätzen der im überwachten Raum vorhandenen Schwefelwasserstoffmenge nutzen kann. Jeder beliebige LDS basierte Gasdetektor, mit dem sich mit hoher Empfindlichkeit und Spezifität nachweisen lässt, könnte als Basis für einen kombinierten Methan- und Schwefelwasserstoffdetektor verwendet werden, der die vorstehend für die beschriebene Erfindung beschriebene Technik des Abschätzen nutzt. Ein solcher LDS basierter Gasdetektor muss keinen VCSEL-Laser verwenden und könnte bei jeder beliebigen Wellenlänge betrieben werden, bei der Methan ausreichende optische Absorption zeigt, um die Durchführung empfindlicher Messungen zu ermöglichen.
  • Es sollte bemerkt werden, dass die Vorrichtung der 32 so abgewandelt werden kann, dass anstelle einer direkten Übertragung von Laserdiodenstrahlung durch den überwachten Raum eine Gasprobe aus dem zu überwachenden Gebiet in eine Probenmesskammer gebracht werden kann, um mit dem beschriebenen Verfahren beleuchtet und gemessen zu werden.
  • Anstatt das Ausgangssignals des optischen Detektors 707 zu verstärken, digitalisieren und anschließend mit einem digitalen Signalverarbeitungssystem zu verarbeiten, ist es ferner möglich, die beanspruchte Erfindung in einer Vorrichtung zu realisieren, in der die Stärken und Phasen der Frequenzkomponenten bestimmt werden, indem das Detektorsignal verstärkt und synchron die verschiedenen Frequenzkomponenten mittels mehrerer synchroner Detektoren detektiert werden, die parallel bei verschiedenen Frequenzen an dem selben Signal arbeiten. Die Ausgabe der synchronen Detektoren wird anschließend digitalisiert und zur Berechnung der Menge des im überwachten Raum vorhandenen Zielgases wie vorstehend beschrieben verwendet.
  • Der im vorhergehenden in Bezugnahme auf die 24 bis 38 beschriebene Detektor gefährlicher Gase nutzt die Tatsache, dass Schwefelwasserstoff in saurer Gaslösung mit Erdgas gut gemischt ist, das hauptsächlich aus Methan besteht, und dass das Verhältnis von Schwefelwasserstoff zu Methan in der Gaslösung eines gegebenen Öl- oder Gasfeldes bekannt ist. Indem die Methanmenge in einem überwachten Pfad speziell nachgewiesen oder gemessen wird, und das für die Gaslösung eines gegebenen Felds bekannte Verhältnis zwischen Schwefelwasserstoff und Methan genutzt wird, wird eine Abschätzung der in dem überwachten Pfad vorhandenen Menge an Schwefelwasserstoff erzeugt. Diese Abschätzung wird verwendet, um zu entscheiden, ob die vorhandene Schwefelwasserstoffmenge eine Giftgefahr darstellt oder nicht.
  • Diese Art eines Detektors für gefährliche Gase liefert Warnungen vor Gefahren durch brennbare oder giftige Gase, die durch ein Leck der Gaslösung eines gegebenen, bekannten Öl- oder Gasfeldes entstehen. Sein Betrieb basiert jedoch auf dem Wissen des Verhältnisses zwischen Schwefelwasserstoff und Methan in der detektierten Gaslösung. Anlagen, die Öl oder Gas aus einer Reihe von unterschiedlichen Quellen beziehen und verarbeiten, haben kein einzelnes bekanntes Verhältnis zwischen Schwefelwasserstoff und Methan für die Gaslösungen. Tatsächlich mag ein Teil des Öls oder Gases, das in derartigen Anlagen verarbeitet wird, süß sein und gar kein Schwefelwasserstoff in der Gaslösung enthalten. Folglich kann der Detektor gefährlicher Gase gemäß 32 für Anlagen, die Öl oder Gas aus einer Vielzahl unterschiedlicher Quellen beziehen, nur von begrenztem Nutzen sein.
  • Ein solcher Detektor kann jedoch modifiziert werden, um sowohl Gefahren durch brennbare als auch durch giftige Gase nachzuweisen, die mit austretender Gaslösung bei Anlagen verbunden sind, die Öl oder Gas aus einer Reihe von unterschiedlichen Quellen beziehen. Hierfür kann ein Sender vorgesehen sein, der zwei Laserdioden umfasst, wobei eine bei Wellenlängen zum Scannen von Absorptionslinien brennbarer Gase einschließlich Methan, Ethan und Propan betrieben wird, die andere bei einer Wellenlänge zum Scannen einer Absorptionslinie von Schwefelwasserstoff betrieben wird.
  • Der Nachweis oder die Messung von Gasen wie Methan in brennbaren Konzentrationen ist mit Laserdiodenspektroskopietechniken ausreichend einfach, so dass es zuverlässig mit einer einzigen Laserdiode vorgenommen werden kann. Aus den vorstehend beschriebenen Gründen kann jedoch die Messung oder der Nachweis von Schwefelwasserstoff bei giftigen Konzentrationen nicht zuverlässig mit einer einzigen Messung durchgeführt werden. Jeder solche Versuch würde eine für Sicherheitsanwendungen unakzeptable hohe Wahrscheinlichkeit falscher Alarme mit sich bringen.
  • Dieses Problem wird gelöst, indem sowohl auf Schwefelwasserstoff als auch Methan getestet wird. Wenn saure Gaslösung austritt, wird der Schwefelwasserstoff durch Absorptionsmessungen detektiert, die bei der ausgewählten Schwefelwasserstoffabsorptionslinienwellenlänge vorgenommen werden, und Methan detektiert, indem Absorptionsmessungen bei der ausgewählten Methanabsorptionslinienwellenlänge vorgenommen werden. Nur wenn sowohl Schwefelwasserstoff als auch Methan in ausreichenden Konzentrationen nachgewiesen werden, kann tatsächlich eine Giftgasgefahr wegen Schwefelwasserstoff bestehen. Ist die in dem überwachten Pfad gemessene Methanmenge kleiner als die Menge, die bekanntermaßen in den meisten sauren Gaslösungen vorhanden ist, welche eine gegebene Anlage verarbeiten mag, dann muss die Schwefelwasserstoffmessung falsch sein und folglich wird kein Giftgasalarm ausgelöst.
  • Die Strategie zum Unterdrücken von Fehlalarmen basiert hier auf der Tatsache, dass eine Gaslösung zwar Schwefelwasserstoff enthalten oder nicht enthalten mag (in Abhängigkeit von ihrer Quelle), Gaslösungen jedoch stets eine sehr signifikante Methanmenge enthalten.
  • Eine weitere Verbesserung kann durch Kenntnis des Mindestverhältnisses von Methan zu Schwefelwasserstoff für eine gegebene Anlage erzielt werden, das dem für die meisten sauren Öle oder Gase, welche die Anlage jemals umsetzt oder verarbeitet, entspricht. Die in Öl oder Gas enthaltene Schwefelwasserstoffmenge muss den Betreibern von Öl- oder Gasanlagen bekannt sein. Sie beeinflusst nämlich, wo und wie es gehandhabt und verarbeitet werden kann sowie die Kosten der Verarbeitung des Öls oder Gases für nachfolgenden Verkauf und Gebrauch, was von größter Bedeutung ist. Wird das bekannte Mindestverhältnis von Methan zu Schwefelwasser stoff für eine gegebene Anlage genutzt, kann der verbesserte Detektor zum Nachweis gefährlicher Gase dafür eingestellt werden, die Mindestmenge Methan zu berechnen, die für eine detektierte Menge Schwefelwasserstoff vorhanden sein muss, um eine erste Folge eines Gaslecks zu sein.
  • Gasnachweis hoher Zuverlässigkeit
  • Aus der früheren Diskussion der 8 ergibt sich, dass die Ausgabe eines Detektors eine Abweichung von einer einfachen sinusförmigen Wellenform zeigt, die durch Absorption optischer Strahlung bewirkt wird, wenn die Wellenlänge der Laserdiode über den Bereich der Absorptionslinie des Zielgases durch gestimmt wird. Die optische Absorption durch das Zielgas bewirkt ein Absorptionsmerkmal, wann immer die Wellenlänge des Lasers den Bereich der Absorptionslinie überstreicht, was in 8 etwa auf halbem Weg nach oben bei der positiven Ausdehnung des Modulationszyklus geschieht. Verschiedene Verfahren können genutzt werden, um die relative Größe des Absorptionsmerkmals zu messen und anschließend die Menge an Zielgas in dem überwachten Raum zu bestimmen. Am gebräuchlichsten sind synchroner Nachweis und Messung der zweiten und/oder dritten Oberschwingung. Alternativ kann das Signal wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben digitalisiert und dann mittels digitaler Signalverarbeitungstechniken verarbeitet werden, um die Größe der verschiedenen Frequenzbeiträge in dem Detektorsignal zu messen und die Menge des im überwachten Raum vorhandenen Gases zu bestimmen.
  • Ein hoch zuverlässiger Gasdetektor, der ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, ist in 40 gezeigt. Eine Laserdiode 801 wird von einem Laserdiodenantriebsstromsynthesizer angetrieben, der einen Mikroprozessor 819, einen Wellenformspeicher 822, einen Digital-Analog-Konverter (DAC) 820 und einen Spannungs-Strom(V-I)-Wandler 821 umfasst. Die Laserdiode 801 ist auf einem temperaturstabilen Träger 802 angeordnet, der selbst von einem Temperaturstabilisierungsantriebskreis 818 betrieben wird, wobei eine Rückkopplung der Temperatur des Trägers 802 durch einen Temperaturfühler 817 bewirkt wird. Der Laserdiodenantriebsstromsynthesizer arbeitet unter der Kontrolle des Mikroprozessors 819, der Wellenformdaten, die in dem Wellenformspeicher 822 gespeichert sind, zusammen mit Steuersoftware nutzt, um eine Sequenz digitaler Werte zu dem DAC 820 zu sen den, der seinerseits die digitalen Werte in entsprechende Spannungen umwandelt. Die von dem DAC 820 ausgegebenen Spannungen werden gefiltert und von dem V-1-Wandler 821 in Strom umgewandelt. Die resultierende Stromwellenform entspricht der gewünschten Wellenform des Laserdiodenantriebsstroms einschließlich vorspannender und abtastender Komponenten.
  • Die Ausgabe der Laserdiode 801 wird von einem Strahlteiler 811 in zwei Anteile aufgespalten. Ein Anteil wird durch eine einbehaltene Zielgasprobe 813 geschickt und von einem optischen Element 812 auf einen optischen Detektor 814 konzentriert. Der andere Anteil wird von einem optischen Element 824 kollimiert und durch den überwachten Raum 805 geschickt.
  • Das Signal von dem optischen Detektor 814 wird von dem Verstärker 815 verstärkt und von dem Analog-Digital-Wandler (ADC) 816 in eine Folge entsprechender digitaler Werte umgewandelt. Weil das optische Signal, das den Detektor 814 erreicht, durch eine erhebliche einbehaltene Probe Zielgas geleitet wurde, enthält das Detektorsignal ein oder mehrere Absorptionsmerkmale, die durch Absorption der optischen Strahlung der Laserdiode erzeugt werden, wenn die Wellenlänge der Absorptionslinie(n) des Zielgases entspricht. Das digitalisierte Detektorsignal wird von dem Mikroprozessor 819 verarbeitet, um die Position, Breite und Form der Absorptionslinie(n) des Zielgases in Bezug auf die Wellenlängen abtastende Wellenform zu bestimmen. Diese Information wird dann von dem Mikroprozessor verwendet, um die Amplitude der vorspannenden und abtastenden Komponenten zusammen mit der Betriebstemperatur der Laserdiode anzupassen, um die ausgewählte Zielgasabsorptionslinie(n) mit konstanter Position und Breite hinsichtlich der Wellenlängen abtastenden Wellenform zu halten.
  • Die durch den überwachten Raum 805 laufende optische Strahlung wird gesammelt und auf einen optischen Detektor 827 von einem optischen Element 826 konzentriert. Das elektrische Signal von dem Detektor 827 wird von einem Verstärker 828 verstärkt und von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 829 in eine Sequenz digitaler Werte umgewandelt, die dem Detektorsignal entsprechen. Das digitalisierte Signal wird dann von einem Mikroprozessor 830 verarbeitet, um die relative Amplitude eines Absorptionsmerkmals zu bestimmen, wobei Position und Lage bekannten Merkmalen entsprechen müssen, um von dem Sender gehalten zu werden. Die relative Amplitude eines beliebigen solchen Absorptionsmerkmals wird dann verwendet, um die Menge an Zielgas im überwachten Raum zu berechnen. Diese Menge wird von einer Empfängerausgabeschnittstelle 831 ausgegeben.
  • Der Sender enthält eine Schnittstelle 823, über die ein Benutzer oder ein Überwachungssystem den Sender anweisen kann, die Anwesenheit einer genannten Menge Zielgas in dem überwachten Raum 805 zu simulieren. Diese Simulation wird unter unmittelbarer Kontrolle des Mikroprozessor 819 vorgenommen, der Zugriff auf Daten hat, welche die Position, Breite und Form der Zielgasabsorptionslinie(n) in Bezug auf die Wellenlängen abtastende Wellenform hat. Der Mikroprozessor 819 verwendet diese Daten zusammen mit Daten der abtastenden Wellenform und Gleichungen, die die von einer gegebenen Menge Zielgas bewirkte Absorption beschreiben, um eine Sequenz digitaler Werte zu berechnen, die dann von dem DAC 820 und dem V-I-Konverter 821 in einen Strom umgesetzt werden und eine Laserantriebsstromwellenform bewirken, die ein nachgebildetes Absorptionsmerkmal enthält. Die Position, Breite, Form und Größe des nachgebildeten Absorptionsmerkmals entsprechen demjenigen, das von der genannten Menge Zielgas im überwachten Raum produziert werden würde. Damit der Benutzer oder das Kontrollsystem die nötige Kontrolle über einen Gassimulationstest haben, kann die Senderschnittstelle 823 auch Instruktionen zur Dauer eines Gassimulationstests und/oder Instruktionen zum Testabbruch erhalten.
  • Die Vorteile eines aktiven Haltens der Position und Breite der Absorptionslinie(n) von Zielgas in Bezug auf die Wellenlänge abtastende Wellenform sind folgendermaßen:
    • a) Die größte potentielle Quelle von Nachweis- oder Messungsdrift in einem System, das LDS-Techniken verwendet, ist mit temperatur- oder altersbedingten Änderungen der Betriebswellenlänge der Laserdiode verbunden. Indem die Position und die Breite der Zielgasabsorptionslinie aktiv in Bezug auf die Wellenlänge abtastende Wellenform aufrechterhalten wird, ist die größte Drift effektiv eliminiert.
    • b) Die Stärke der Absorption, die von einer gegebenen Menge Zielgas bei einer Wellenlänge erzeugt wird, die einer seiner Absorptionslinien entspricht, ist eine feste Größe des Gases. Indem Position und Breite der Zielgasabsorptionslinie in Bezug auf die Wellenlänge abtastende Wellenform gehalten werden, muss der Empfänger zum Nachweis oder zur Messung einer Menge Zielgas im überwachten Raum lediglich die relative Größe eines Absorptionsmerkmals mit einer Position und einer Breite messen, die denen der aktiv in Bezug auf die Wellenlängen abtastenden Wellenform aufrechterhaltenen entsprechen. Für den Empfänger ist dies eine relativ einfache Messung.
    • c) Die einbehaltene Probe des Zielgases wird lediglich verwendet, um Informationen zur Position, Form und Breite der Zielgasabsorptionslinie(n) zu liefern. Dies sind feste Eigenschaften des Zielgases. Ein Verlust an Zielgas aus der einbehaltenen Probe mag die Menge der absorbierten optischen Strahlung ändern, wenn Strahlung von der Laserdiode durch die einbehaltene Probe geschickt wird, wird jedoch die Position, Form und Breite der Zielgasabsorptionslinie(n) nicht ändern. Bei einer solchen Verwendung führen kleine Lecks der einbehaltenen Probe nicht zu den Problemen, die ansonsten mit dem Gebrauch von einbehaltenen Proben als quantitativer Gaskalibrationsstandard verbunden sind.
  • Der Einsatz des Detektors von 40 als Teil eines hoch zuverlässigen Gasnachweissystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 41 veranschaulicht. Das in 41 dargestellte System enthält einen Sender 832, der mit einer Systemzustandsüberwachungs- und Testeinheit 852 über die Senderschnittstelle 823 kommuniziert. Die optische Strahlung von dem Sender 832 läuft durch den überwachten Raum 805 zu dem Empfänger 833. Der von dem Empfänger 833 ausgegebene Gaswert wird einem Gasnachweissystemkontroller 834 über die Empfängerausgabeschnittstelle 831 angezeigt. Im normalen Betrieb überwacht der Gasnachweissystemkontroller 834 ständig die von dem Gasdetektor der beanspruchten Erfindung ausgegebenen Gaswerte. Diese Werte entsprechen der im überwachten Raum 805 vorhandenen Menge Zielgas. Falls eine erhebliche Menge eines gefährlichen Gases entdeckt und ein entsprechendes Signal von der Empfängerausgabeschnittstelle 831 ausgegeben wird, gibt der Gasnachweissystemkontroller 834 über einen Alarm 836 eine angemessene Warnung aus und beginnt mit evtl. vorgesehenen vorprogrammierten Handlungen.
  • Der Erhalt der Sicherheitsintegrität des Gasnachweissystems wird unter der Kontrolle der Systemstatusüberwachungs- und Testeinheit 35 vorgenommen. Erforderliche Tests werden entweder von einem Benutzer oder einem Softwareprogramm, das auf der Systemstatusüberwachungs- und Testeinheit läuft, vorgenommen.
  • Damit das Gasnachweissystem im Falle eines gefährlichen Gaslecks zuverlässig korrekt funktioniert, ist es nötig, Tests durchzuführen, die das Vorhandensein einer Gasgefahr in dem überwachten Raum 805 simulieren und verifizieren, dass der Gasdetektor und der Gasnachweissystemkontroller 834 in Reaktion auf die simulierte Gefahrensituation korrekt arbeiten. Die Merkmale des Gasdetektors der beanspruchten Erfindung machen das Durchführen derartiger Tests wesentlich einfacher, als dies für herkömmliche Gasdetektoren der Fall wäre.
  • Das Verfahren zum Durchführen eines Integritätstests des Gasnachweissystems läuft im wesentlichen wie folgt ab:
    • a) Die Systemstatusüberwachungs- und Testeinheit 835 wird von einem Benutzer oder einem Programm, das auf der Einheit läuft, instruiert, ein Systemintegritätstest an dem Gasnachweissystem durchzuführen.
    • b) Die Systemstatusüberwachungs- und Testeinheit 835 kommuniziert mit dem Gasnachweissystemkontroller 834 und teilt diesem mit, dass ein Test durchgeführt werden wird und welche Gasdetektoren dabei getestet werden.
    • c) Der Gasnachweissystemkontroller 834 geht in einen definierten Zustand gemäß dem durchzuführenden Test über. Üblicherweise bewirkt dieser Zustand, die Unterdrückung von hörbaren Alarmen und von Ausführungen von Handlungen, um eine unnötige Alarmierung von Personal und das Abschalten der Anlage oder von Ausrüstung zu vermeiden.
    • d) Mittels der Kommunikationsverbindung zu der Übertragschnittstelle 823 informiert die Systemsstatusüberwachungs- und Testeinheit 835 den Sender 832 über die Zielgasmenge, deren Vorhandensein in dem überwachten Raum 805 simuliert werden soll, sowie der Dauer des Tests.
    • e) Unter Verwendung der bekannten Position, Breite und Form der Zielgasabsorptionslinie und Gleichungen, welche die von einer gegebenen Menge Zielgas bewirkte Absorption beschreiben, treibt der informierte Sender 832 die Laserdiode 801 (40) mit einer Stromwellenform an, welche die zum Simulieren des Vorhandenseins der mitgeteilten Zielgasmenge im überwachten Raum erforderlichen nachgebildeten Absorptionsmerkmale enthält.
    • f) Die Systemstatusüberwachungs- und Testeinheit 835 sammelt Gaswerte von dem Gasnachweissystemkontroller 834, die den jeweils getesteten Gasnachweiskanälen entsprechen.
    • g) Die Systemstatusüberwachungs- und Testeinheit 835 überwacht den Alarmzustand, den der Gasnachweissystemkontroller 34 für jeden getesteten Gasnachweiskanal berichtet.
    • h) Die Systemstatusüberwachungs- und Testeinheit 835 vergleicht die während des Test gesammelten Gaswerte und Alarmzustandsdaten mit den für das Gasnachweissystem bei korrektem Betrieb erwarteten Werten und Reaktionen.
    • i) Sofern die Testergebnisse definierten Kriterien genügen, informiert die Systemstatusüberwachungs- und Testeinheit 835 den Benutzer und den Gasnachweissystemkontroller 834, dass der Test erfolgreich abgeschlossen wurde, und das Gasnachweissystem geht in seinen normalen, ungehinderten Zustand zurück.
    • j) Wenn die Testergebnisse festgesetzten Kriterien nicht genügen, informiert die Systemstatusüberwachungs- und Testeinheit 835 den Benutzer und den Gasnachweissystemkontroller, dass der Test fehlgeschlagen ist. Im Fall eines fehlgeschlagenen Tests wird von einem Benutzer erwartet, weitere Tests durchzuführen, um den Schaden zu bestätigen, seine Ursache zu identifizieren und schließlich Schritte zur Beseitigung des Problems einzuleiten.
  • Trotz der relativen Einfachheit der vorstehenden Testprozedur, wird damit eine sehr gute Testerfassung erreicht, wobei ein erfolgreicher Ausgang ein hohes Maß an Zuversicht in das korrekte Arbeiten des Gasnachweissystems rechtfertigt. Die sehr gute Testerfassung wird erreicht, weil das Gasnachweissystem den Test nur bestehen kann, wenn für jeden getesteten Gasnachweiskanal alle folgenden Bedingungen erfüllt sind:
    • a) Die Leitungen, welche den Sender 832 mit Strom versorgen, sind intakt und die korrekte Versorgungsspannung und Leistung reicht dem Sender 832.
    • b) Der Mikroprozessor 819, der den Betrieb des Senders 832 überwacht, arbeitet korrekt und kann Instruktionen der Systemstatusüberwachungs- und Testeinheit 835 über die Kommunikationsverbindung und Übertragungsschnittstelle 823 erhalten und verstehen.
    • c) Der Sender 832 hält erfolgreich Position und Breite der Zielgasabsorptionslinien in Bezug auf die Wellenlängen abtastende Wellenform aufrehct. (Die Senderüberwachungssoftware sollte so geschrieben sein, dass ein evtl. Versagen die Position und Breite der Zielgasabsorptionslinie in Bezug auf die Wellenlängen abtastende Wellenform zu halten durch eine Selbstdiagnose festgestellt wird. Falls ein nicht behebbares Versagen festgestellt wird, sollte der Sender 832 die Übertragung einstellen oder ein Problem melden.)
    • d) Die Laserdiode 801 und der Laserdiodenantriebskreis 820, 821 arbeiten korrekt und die Laserdiode 801 produziert optische Strahlung mit den erforderlichen Eigenschaften.
    • e) Ausreichende optische Strahlung gelangt durch den überwachten Raum 805 und erreicht den Detektor 827 des Empfängers, so dass Gasnachweismessungen durchgeführt werden können.
    • f) Die Leitungen, die den Empfänger 823 mit Strom versorgen, sind in Ordnung und die korrekte Versorgungsspannung und Leistung erreicht den Empfänger 33.
    • g) Der Mikroprozessor 830, der den Betrieb des Empfängers 833 überwacht, arbeitet korrekt und kann Signale von dem optischen Detektor 827 verarbeiten, um Messungen der in dem überwachten Raum 805 vorhandenen Menge an Zielgas durchzuführen.
    • h) Die Ausgabeschnittstelle 831 des Empfängers arbeitet korrekt und die Leitungen, die das Signal von der Empfängerausgabeschnittstelle 831 zu dem Gasnachweissystemkontroller 834 übermitteln, sind in Ordnung.
    • i) Der dem getesteten Gasdetektor entsprechende Eingabekanal des Gasnachweissystemkontrollers 834 arbeitet korrekt und erhält ein Signal, das einem Gaswert in dem von dem Test festgelegten Wertebereich entspricht.
    • j) Der Gasnachweissystemkontroller 834 arbeitet und der Alarmzustand des getesteten Kanals wird korrekt aktualisiert gemäß der von dem Gasdetektor gemeldeten Menge gefährlichen Gases.
  • Im Vergleich zu herkömmlichen Tests von Detektoren mit Gas, ist die beschriebene Testprozedur sehr einfach und schnell, so dass der Test wesentlich häufiger und mit viel geringeren Kosten durchgeführt werden kann. Die Testprozedur eignet sich auch für eine automatische Ausführung und Überwachung, was bei herkömmlichen Gastests nicht der Fall ist. Beispielsweise könnten Tests alle 24 Stunden durchgeführt werden und würden das Gasnachweissystem jeweils nur für etwa eine Minute außer Betrieb setzen, was eine ausreichend kurze Zeitdauer ist, um einen akzeptabel kleinen Einfluss auf die Systemverfügbarkeit zu haben, insbesondere wenn man die dadurch erzielte große Steigerung der Systemssicherheitsintegrität berücksichtigt.
  • Wenn der Sender feststellt, dass die Position und die Breite einer Zielgasabsorptionslinie in Bezug auf die Wellenlängen abtastende Wellenform nicht aufrechterhalten werden und er dies nicht beheben kann, sollte der Sender zum Sicherstellen einer hohen Systemsicherheitsintegrität entweder die Übertragung einstellen oder seine Laserdiode mit einem Signal modulieren, das dem Empfänger anzeigt, dass der Sender ein Problem hat, das der Aufmerksamkeit bedarf. Wenn der Empfänger dann von dem Sender kein Signal erhält oder von dem Sender ein Signal erhält, das anzeigt, dass der Sender ein behandlungsbedürftiges Problem hat, sollte der Empfänger seine Ausgabe ändern, um dem Gasnachweissystemkontroller anzuzeigen, dass ein Sendersignal ausgefallen ist oder ihm das Vorliegen eines Senderproblems mitgeteilt wurde.
  • Fachleute werden erkennen, dass von der Laserdiode 801 mehr als eine Absorptionslinie des Zielgases abgetastet werden können. Bei einer solchen Anordnung wird die einbehaltene Zielgasprobe verwendet, um die Position und die Breite von zwei oder mehr Absorptionslinien in Bezug auf die Wellenlängen abtastende Wellenform zu halten. Wenn simuliert wird, dass in dem überwachten Raum eine Zielgasmenge vorhanden ist, werden nachgebildete Absorptionsmerkmale der bekannten Positionen, Breiten und Formen sowie berechnete Größen in den Laserdiodenantriebsstrom eingeführt.
  • Dieselben Prinzipien können auch bei Gasnachweis- oder Messausrüstung angewandt werden, bei der zwei oder mehr Laserdioden zwei oder mehr Absorptionslinien des Zielgases abtasten. Bei einer solchen Anordnung wird die einbehaltene Zielgasprobe unabhängig verwendet, um die Position und die Breite von zwei oder mehr Absorptionslinien in Bezug auf die Wellenlängen abtastende Wellenform der jeweiligen Laserdiode zu halten. Wenn simuliert wird, das in dem überwachten Raum eine Zielgasmenge vorhanden ist, werden nachgebildete Absorptionsmerkmale der be kannten Positionen, Breiten und Formen sowie kalkulierte Größen in den jeweiligen Antriebsstrom der Laserdioden eingeführt.
  • Es kann auch eine erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellt werden, die zwei oder mehr Zielgase nachweist oder misst. Dies kann entweder durch Durchstimmen einer einzigen Laserdiode über zwei separate Absorptionslinien der verschiedenen Zielgase oder durch Durchstimmen von zwei oder mehr Laserdioden über die ausgewählten Absorptionslinien der Zielgase erreicht werden.
  • Der Einsatz einer einbehaltenen Zielgasprobe, um den Sender mit Informationen über die Position, Breite und Form der Zielgasabsorptionslinie in Bezug auf die Wellenlängen abtastende Wellenform zu versorgen, ist ein einfacher und effizienter Ansatz. Es ist jedoch möglich, die erforderliche Wellenlängenregistrierungs- und Skalierungsinformation dem Sender ohne Gebrauch einer einbehaltenen Gasprobe zur Verfügung zu stellen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Zielgas instabil oder sehr reaktiv ist und sich schwer über längere Zeit halten lässt.
  • Die präzise Position (Wellenlängenzentrum), Breite (Linienbreite) und Form (verbreitetes Lorenzprofil) der Zielgasabsorptionslinie sind bekannt und es ist deshalb nicht nötig, dass der Sender diese Eigenschaften des Zielgases präzise messen kann. Es ist lediglich erforderlich, dass der Sender die Beziehung zwischen Antriebsstrom und Wellenlänge seiner Laserdiode genau kennt. Folglich kann eine optische Komponente mit stabilen, bekannten Durchlass- oder Reflektionscharakteristika in dem Wellenlängenbereich der ausgewählten Absorptionslinie verwendet werden, um eine Wellenlängenregistrierungs- und Skalierungsfunktion zu erfüllen. Hierfür wird ein Anteil der von der Laserdiode 801 ausgesandten Strahlung auf die optische Komponente mit bekannten Durchlass- oder Reflektionscharakteristika gelenkt. Diese Charakteristika werden dann der beleuchtenden Strahlung aufgeprägt und das Signal von dem optischen Detektor, auf den die Strahlung dann fällt, wird verarbeitet um die benötige Wellenlängenregistrierungs- und Skalierungsinformation zu liefern.
  • Die Entwicklung von optischen Komponenten zum Einsatz in dichten Wellenlängenteilungsmultiplex-(dense wavelength division multiplexed DWDM) Telekommunikationssystem hat dazu geführt, dass eine Reihe von optischen Komponenten mit den nötigen Eigenschaften und der nötigen Stabilität, was Schlüsseleigenschaften für den Einsatz in DWDM-Systemen sind, erhältlich wurden. Potentiell geeignete Komponenten umfassen Faser-Bragg-Gitter-Filter, ultraschmale Interferenzbandfilter und holographische optische Elemente.
  • Vorzugsweise verwendet der Sender eine einbehaltene Probe des Zielgases oder eine optische Komponente mit stabilen, bekannten Durchlass- oder Reflektionscharakteristika, um aktiv die Position und die Breite der Zielgasabsorptionslinie in Bezug auf die Wellenlängen abtastende Wellenform zu halten. Es ist jedoch auch möglich, viele Funktionen und Eigenschaften der beanspruchten Erfindung umzusetzen, ohne aktiv die Position und die Breite der Zielgasabsorptionslinie in Bezug auf die Wellenlängen abtastende Wellenform zu halten. Mittel zur Wellenlängenregistrierung und Skalierung werden stets benötigt. Anstatt die so erhaltene Information zum aktiven Halten der Wellenlänge zu nutzen, kann diese von dem Sender auch dazu genutzt werden, Gas zu simulieren und dem Empfänger mitgeteilt werden, so dass der Empfänger weis, wo die Zielgasabsorptionslinie ist und folglich zuverlässig Zielgas messen oder nachweisen kann. Dies erfordert ein Mittel zur Kommunikation zwischen dem Sender und dem Empfänger, wodurch die Komplexität der Signalverarbeitung und Berechnung der im überwachten Raum vorhandenen Zielgasmenge steigt, ist jedoch eine brauchbare alternative Ausführungsform der beanspruchten Erfindung.
  • In dem hoch zuverlässigen Gasdetektor, der insbesondere in Bezug auf 40 beschrieben wurde, wird die Strahlung von der Laserdiode 801 gesammelt und direkt durch den überwachten Raum geleitet und beleuchtet anschließend einen Empfangsdetektor. Die beanspruchte Erfindung kann jedoch auch vorteilhaft mit einer Vorrichtung umgesetzt werden, in der eine Gasprobe von einem zu überwachenden Gebiet in eine Probenmesskammer gezogen wird, um dort beleuchtet und mit den beschriebenen Maßnahmen gemessen zu werden.
  • Die in 40 gezeigte Vorrichtung zeigt, dass die Ausgabe des optischen Detektors verstärkt, digitalisiert und anschließend von einem Mikroprozessor verarbeitet wird. Dieses Mittel zum Verarbeiten des Signals von dem Detektor ist dargestellt, weil es besonders geeignet zur Umsetzung der beanspruchten Erfindung ist. Es ist jedoch auch möglich, einen hoch zuverlässigen Gasdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung zu realisieren, in der die Stärken und Phasen der bedeutenden Frequenzkomponenten des Detektorsignals durch synchronen Nachweis bestimmt werden, indem mehrere synchrone Detektoren verwendet werden, die parallel bei verschiedenen Frequenzen an dem selben Signal arbeiten. Die Signale von den synchronen Detektoren werden anschließend digitalisiert und in der beschriebenen Weise zur Berechnung der in dem überwachten Raum vorhandenen Zielgasmenge verwendet.
  • Zu beachten ist auch, dass die Mittel zum Teilen, Sammeln und Kollimieren der optischen Strahlung von den Laserdioden 801 nicht auf die einfachen in 40 dargestellten optischen Elemente beschränkt sind. Die zu diesem Zweck verwendeten optischen Elemente können alternativ auch eine Reihe von separaten optischen Elementen umfassen, die kombiniert werden, um die erforderlichen Funktionen der Laserdiodenstrahlungsteilung, Sammlung, Kollimation und Übertragung durch den überwachten Raum zu erfüllen. Zudem brauchen diese optischen Elemente nicht auf die dargestellten optischen Freiraumelemente beschränkt sein. Die Strahlung von der Laserdiode kann in einen Lichtleiter eingespeist und einem oder mehreren optischen Elementen zugeführt werden, welche die Strahlung kollimieren und durch den überwachten Raum senden.
  • Die von dem Gasdetektor der 40 ermittelten Werte können auf verschiedene Weise ausgegeben werden einschließlich einer analogen elektrischen Ausgabe, die eine Spannung oder ein Stromsignal produziert, das der Menge an Zielgas proportional ist, einer digitalen Ausgabe, die ein elektrisches Signal liefert, das einen festgelegten Protokoll entspricht und numerische Daten über die Konzentration oder Menge von Gas enthält, einem Öffnen oder Schließen von Reliefs bei vorgegebenen Gaskonzentrationen sowie einer analogen oder digitalen Anzeige.
  • Zielgasfingerabdrücke
  • 42 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das eine Vorrichtung umfasst, die für ein Zielgas einen spezifischen Störungsfingerabdruck liefert.
  • Gemäß 42 ist eine Laserdiode 901 auf einem temperaturstabilisierten Träger 902 angeordnet. Ein Strahlteiler 911 zeigt einen kleinen Teil der von der Laserdiode 901 emittierten optischen Strahlung ab. Der überwiegende Teil der durch den Strahlteiler 911 laufenden Strahlung wird von einem optischen Element 904 kollimiert, durch den überwachten Raum 905 gesendet und gesammelt und von einem optischen Empfangselement 906 auf einen ersten optischen Detektor 907 konzentriert. Die abgezweigte Laserdiodenstrahlung wird von einem optischen Element 912 konzentriert und von einem Strahlteiler 913 in zwei Teile aufgespalten. Ein Teil der abgezweigten Strahlung läuft durch eine einbehaltene Zielgasprobe 914 bevor sie von einem zweiten optischen Detektor 915 detektiert wird. Der andere Teil wird von einem dritten optischen Detektor 918 detektiert. Die Signale von den optischen Detektoren 915 und 918 werden von Verstärkerketten 916 bzw. 919 verstärkt und von ADCs 917 bzw. 920 digitalisiert. Die digitalisierten Wellenformen werden dann einem Mikrokontroller 921 zugeführt. Die digitalisierte Wellenform von dem zweiten optischen Detektor 915 enthält Informationen über die Auswirkungen von Absorption von Laserdiodenstrahlung durch die einbehaltene Zielgasprobe 914. Die Wellenform für den dritten optischen Detektor 918 enthält Informationen über die von der Laserdiode 901 ausgegebene Strahlung ohne Zielgasabsorption.
  • Der Mikrokontroller 921 kontrolliert die Erzeugung einer Laserdiodenantriebsstromwellenform und liefert einem DAC 922 eine Folge von digitalen Werten, damit diese in eine analoge Spannungswellenform umgewandelt werden. Diese Wellenform wird anschließend von einem V-I-Konverter 923 in einen Strom umgewandelt. Die Wellenform des Steuerstroms der Laserdiode enthält zwei Komponenten. Eine vorspannende Komponente, die effektiv die mittlere Wellenlänge definiert, bei welcher die Laserdiode 901 arbeitet, und eine sinusförmige Wellenlängenabtastkomponente, die zyklisch die Laserdiodenwellenlänge durch stimmt. Der Mikrokontroller 921 kontrolliert auch die Temperatur der Laserdiode 901, indem der Strom angepasst wird, der von dem temperaturstabilisierten Trägertreiber 924 ausgegeben wird, wobei eine Rückkopplung der Temperatur des Trägers 902 durch einen Temperaturfühler 925 bewirkt wird.
  • Der Mikrokontroller 921 verarbeitet die digitalisierten Wellenformen der optischen Detektoren 915 und 918, um die Stärken und Phasen der in diesen Wellenformen enthaltenen Grund- und Oberschwingungskomponenten der Wellenlängenabtastfrequenz zu bestimmen. Diese Information wird von dem Mikrokontroller 921 verwendet, um die genauen Arbeitsbedingungen der Laserdiode 901 zu bestimmen, so dass Absorption der Laserdiodenstrahlung durch Zielgas einen Verzerrungs-„Fingerabdruck” des Gases mit sehr spezifischen Charakteristika erzeugt. Information über den Zielgasverzerrungsfingerabdruck und die optische Ausgabe der Laserdioden 901 ohne Zielgasabsorption wird dem Empfänger über digitale Kommunikationsschnittstellen 926 und 927 mitgeteilt.
  • Das Signal von dem optischen Empfangsdetektor 907 wird von einer Verstärkerkette 908 verstärkt und von einem ADC 28 digitalisiert. Die so erhaltene digitalisierte Wellenform wird einem Empfängermikrokontroller 929 zugeführt. Der Empfängermikrokontroller 929 verarbeitet die erhaltene Wellenform, um Größe und Stärke der in dieser Wellenform enthaltenen Grund- und Oberschwingungskomponenten der Wellenlängenabtastfrequenz zu bestimmen. Der Empfängermikrokontroller 929 normalisiert die erhaltene Wellenform und subtrahiert dann die Oberschwingungskomponenten, die bekanntermaßen in der optischen Strahlung der Laserdiode vorhanden sind, wenn keine Zielgasabsorption stattfindet. Verbleibende Oberschwingungskomponenten beruhen dann entweder auf Absorption durch Zielgas im überwachten Raum oder sind eine Folge von Systemrauschen, Absorption durch atmosphärische Gase oder Kohärenz/Interferenzeffekten. Die verbleibenden Oberschwingungen werden mit dem Fingerabdruck verglichen, der bekanntermaßen durch Zielgasabsorption bewirkt wird. Sofern die Stärken und Phasen der Oberschwingungen mit dem Fingerabdruck gut übereinstimmen, werden die Stärken der Oberschwingungen verwendet, um die Menge des im überwachten Raum vorhandenen Zielgases zu berechnen. Wenn die verbleibenden Oberschwingungen keine gute Übereinstimmung mit dem Zielgasfingerabdruck zeigen, beruhen diese höchst wahrscheinlich auf Systemrauschen, Absorption durch störende atmosphärische Gase oder Kohärenz/Interferenzeffekten. Derartige Daten werden verworfen.
  • Damit der Fingerabdruck der Zielgasabsorption zuverlässig von Systemrauschen, Absorption durch atmosphärische Gase und Kohärenz/Interferenzeffekten unterschieden werden kann, ist es erforderlich, einen Oberschwingungsfingerabdruck mit sehr spezifischen Charakteristika zu erzeugen. Das Kontrollieren der Arbeits- und Antriebsbedingungen der Laserdiode, so dass Absorption ihrer Strahlung durch Zielgas einen sehr speziellen Oberschwingungsfingerabdruck erzeugt, ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung.
  • 43 zeigt eine Fourier-Transformierte einer Wellenform ohne Zielgasabsorption wie sie von einem perfekten Detektor ausgegeben wird. Die Fourier-Transformierte hat nur eine einzige Frequenzkomponente bei der Grundfrequenz der Wellenlängenabtastkomponente.
  • 44 zeigt eine typische Fourier-Transformierte einer von einem Detektor ausgegebenen Wellenform bei starker Zielgasabsorption, die deutliche Grund- und zweite Oberschwingungskomponenten sowie eine Reihe von kleineren Amplituden höherer Oberschwingungen hat. Der Oberschwingungsfingerabdruck in 43 ist typisch für einen, der durch konventionelles LDS-Gerät erzeugt wurde, enthält jedoch nicht ausreichend spezifische Merkmale, die eine zuverlässige Unterscheidung von Systemrauschen, Absorption durch atmosphärische Gase oder Kohärenz/Interferenzeffekte ermöglichen. Die Grundschwingungskomponente ist in dem detektierten Signal stets vorhanden und die Anwesenheit von nur einer Oberschwingung mit signifikanter Amplitude bedeutet, dass Rauschen, Absorption durch atmosphärische Gase oder Kohärenz/Interferenzeffekte lediglich eine Komponente bei dieser Frequenz erzeugen müssen, um den Anschein des Vorhandenseins einer Zielgasabsorption zu erwecken. Die Wahrscheinlichkeit hierfür ist bei Gebrauch von herkömmlicher LDS-Ausrüstung viel zu hoch für sicherheitsrelevante Anwendungen.
  • 45 zeigt ein Beispiel der komplexen Fourier-Transformierten des Zielgasabsorptionsfingerabdrucks mit den speziellen Merkmalen, die für eine erfolgreiche Umsetzung der beanspruchten Erfindung erforderlich sind. (Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Stärke jeder Frequenzkomponente durch die Höhe der entsprechenden Linie dargestellt, während die Phasenlage der entsprechenden Komponente in Bezug auf die Grundschwingung rechts von der Linie in Klammem angegeben ist.) Dieser Zielgasabsorptionsfingerabdruck hat eine Reihe von Merkmalen, die es möglich machen, ihn zuverlässig von Systemrauschen, Absorption durch atmosphärische Gase oder Kohärenz/Interferenzeffekten zu unterscheiden. Der Fingerabdruck der Zielgasabsorption enthält die folgenden charakteristischen Merkmale:
    • a) Das Vorhandensein von zwei oder mehr Oberschwingungen der Wellenlängenabtasffrequenz in erheblicher Stärke.
    • b) Das Vorhandensein von zwei oder mehr Oberschwingungen der Wellenlängenabtastfrequenz mit bekannten relativen Stärken.
    • c) Das Vorhandensein von zwei oder mehr Oberschwingungen der Wellenlängenabtastfrequenz mit bekannter, fester Phasenlage in Bezug auf die Grundschwingung.
  • Die Forderung nach zwei oder mehr Oberschwingungen der Wellenlängenabtastfrequenz mit erheblicher Stärke hilft beim Erkennen echter Zielgasabsorption, da es für potentiell störende Effekte oder Ereignisse erforderlich wird, gleichzeitig eine signifikante Auswirkung bei zwei oder mehr Frequenzen zu haben. Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass potentiell störende Effekte gleichzeitig merklich auf zwei oder mehr Frequenzen einwirken, ist wesentlich niedriger als die Wahrscheinlichkeit einer merklichen Störung bei einer einzigen Frequenz.
  • Die Forderung nach zwei oder mehr Oberschwingungen der Wellenlängenabtastfrequenz mit bekannter relativer Stärke hilft beim Erkennen echter Zielgasabsorption, weil es für einen potentiell störenden Effekt oder Ereignis nötig wird, Oberschwingungen der selben relativen Stärke wie die Zielgasabsorption zu erzeugen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein potentiell störender Effekt oder Ereignis gleichzeitig zwei oder mehr Oberschwingungen vorgeschriebener relativer Stärke bewirkt, ist wesentlich geringer als die Wahrscheinlichkeit, dass störende Effekte gleichzeitig zwei oder mehr Oberschwingungen beliebiger relativer Stärke bewirken.
  • Die Forderung nach zwei oder mehr Oberschwingungen der Wellenlängenabtastfrequenz mit bekannter, fester Phasenlage in Bezug auf die Grundschwingung hilft beim Erkennen echter Zielgasabsorption, weil es für einen potentiell störenden Effekt oder Ereignis nötig wird, Oberschwingungen mit bekannten, festgelegten Phasen zu erzeugen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein potentiell störender Effekt oder Ereignis gleichzeitig zwei oder mehr Oberschwingungen mit festgelegter Phase erzeugt, ist wesentlich geringer als die Wahrscheinlichkeit, dass ein störender Effekt gleichzeitig zwei oder mehr Oberschwingungen beliebiger Phasenlage bewirkt.
  • Der Gesamteffekt der Forderung, dass ein potentiell störender Effekt oder Ereignis gleichzeitig alle diese Anforderungen des Zielgasfingerabdrucks erfüllt, ist so, dass die Wahrscheinlichkeit dafür, dass störende Effekte oder Ereignisse einen falschen Alarm oder fehlerhafte Ergebnisse bewirken, im Vergleich zu herkömmlichen LDS-Techniken deutlich reduziert ist.
  • An dieser Stelle lohnt es sich, näher zu betrachten, wie die Anforderungen des Fingerabdrucks der Zielgasabsorption ermöglichen, dass verschiedene Arten potentiell störender Effekte oder Ereignisse zuverlässig von echter Zielgasabsorption unterschieden werden können.
  • In einem System mit einem vernünftigen Signalrauschverhältnis (wichtig für jede empfindliche LDS-Technik) gibt es eine kleine aber erhebliche Wahrscheinlichkeit dafür, dass das Systemrauschen eine einzelne Oberschwingung in ausreichender Stärke erzeugt, um einen falschen Alarm oder einen fehlerhaften Messwert zu bewirken. Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass das Systemrauschen gleichzeitig zwei oder mehr Oberschwingungen mit festgelegter relativer Stärke bewirkt, ist jedoch extrem niedrig, auch ohne dass die Vorgabe der Phasenlage berücksichtigt wird. Folglich wären die Anforderungen hinsichtlich mehrerer Frequenzen und relativer Stärken des Fingerabdrucks ausreichend, um mit Auswirkungen des Systemrauschens fertig zu werden, auch ohne dass zu einer Unterscheidung die Phasenlage berücksichtigt werden muss.
  • Mit einem System, das einen offenen Pfad durch die Atmosphäre nutzt, ist es normalerweise möglich, eine oder mehrere Zielgasabsorptionslinien zu finden, die nicht mit Absorptionslinien atmosphärischer Gase zusammenfallen. Der ungünstigste Fall ist in der Regel, dass starke atmosphärische Absorptionslinien bei Wellenlängen nahe an der Zielgasabsorptionslinie vorhanden sind, aber nicht mit dieser zusammenfallen. Solche nahe liegenden atmosphärischen Linien verursachen Probleme bei herkömmlichen LDS-Systemen, da sie merkliche Oberschwingungen der Wellenlängenabtastfrequenz erzeugen können. 45 zeigt eine typische Fourier- Transformierte, die als Resultat des Abtastens eines Zielgasabsorptionsbereichs nahe an einer starken atmosphärischen Linie ohne Vorhandensein von Zielgas erzeugt wurde. Fachleute werden die signifikante zweite Oberschwingungskomponente bemerken, die durch die Anwesenheit der starken atmosphärischen Absorptionslinie in der Nähe erzeugt wurde, sowie die kleinen dritten und vierten Oberschwingungen. Wird die Zielgasabsorptionslinie über einen Bereich abgetastet, der keine Maxima einer starken atmosphärischen Absorptionslinie enthält, ergibt sich das Oberschwingungsmuster der 46, wobei die dritten und vierten Oberschwingungen stets wesentlich kleiner als die zweite Oberschwingung sind. Folglich sind die Anforderungen zur relativen Stärke des „Fingerabdrucks" in den meisten Fällen ausreichend, um mit atmosphärischen Absorptionslinien in der Nähe fertig zu werden, ohne dass die Phasenlage zur Unterscheidung herangezogen werden muss.
  • Selbst bei einem LDS-System, das sorgfältig geplante wurde, um Kohärenz/Interferenzeffekte zu minimieren, erzeugen derartige Effekte Oberschwingungen der Wellenlängenabtastfrequenz in einer Stärke, die ausreicht Probleme zu verursachen, wenn man versucht anteilige Absorptionen der Größenordnung 1 × 10–4 bis 1 × 10–5 nachzuweisen. Wegen der Natur von Kohärenz/Interferenzeffekten kommt hinzu, dass diese Oberschwingungen dazu neigen, sich langsam mit der Temperatur oder im Lauf der Zeit zu ändern, wobei die Möglichkeit besteht, dass gleichzeitig zwei oder mehr Oberschwingungen erheblicher Stärke erzeugt werden. Um erfolgreich mit durch Kohärenz/Interferenzeffekten erzeugten Oberschwingungen fertig zu werden, ist es erforderlich, die Charakteristika eines Zielgasfingerabdrucks der vorliegenden Erfindung vollständig zu nutzen. Dies liegt daran, dass die Wahrscheinlichkeit dafür, dass Kohärenz/Interferenzeffekte mehr als zwei Oberschwingungen vorgegebener relativer Stärke erzeugen, zwar gering ist, jedoch nicht gering genug ist, um vernachlässigt zu werden. Die Forderung, dass Kohärenz/Interferenzeffekt sowohl Anforderungen zur einer vorgeschriebenen relativen Stärke als auch der Phasenlage erfüllen, ist nötig, um die Wahrscheinlichkeit falscher Alarme und fehlerhafter Messwerte auf eine Stufe zu drücken, die für sicherheitsrelevante Anwendungen akzeptabel ist.
  • Fachleute werden dem vorstehenden Absatz entnehmen, dass Kohärenz/Interferenzeffekte problematischer als andere potentiell störende Effekte oder Ereignisse sind. Tatsächlich werden die Nachweisgrenzen der meisten Geräte, die LDS-Techniken nutzen, in der Regel durch Kohärenz/Interferenzeffekte bestimmt.
  • Die Eignung der vorliegenden Erfindung, zwischen echter Zielgasabsorption und Kohärenz/Interferenzeffekten mittels der Fingerabdrucktechnik zu unterscheiden, wird durch den Einsatz eines optischen Detektors 918 (42) verstärkt, der die von der Laserdiode 901 ausgegebene Strahlung ohne Zielgasabsorption misst. Dies liegt daran, dass die größten und problematischsten Kohärenz/Interferenzeffekte mit der Laserdiode, ihrem Gehäuse und ihrem Fenster verbunden sind. Indem die von der Laserdiode 901 ausgesandte Strahlung ständig gemessen wird und diese Information einem Empfänger mitgeteilt wird, können evtl. Schwankungen im Oberschwingungsanteil der Strahlung der Laserdiode 901, die auf Kohärenz/Interferenzeffekten beruhen, abgezogen werden, wenn der Empfänger die empfangene Wellenform verarbeitet. Da dies die größten und problematischsten Kohärenz/Interferenzeffekte sind, trägt ihre Substraktion wesentlich dazu bei, die Auswirkungen von Kohärenz/Interferenzeffekten zu mildern.
  • Bei der Fingerabdruckvorrichtung der 42 wird die Laserdiodenstrahlung gesammelt und durch den überwachten Raum gesandt und beleuchtet anschließend einen Empfangsdetektor. Die Erfindung kann jedoch auch in einer Vorrichtung nützlich angewandt werden, in der eine Probe eines zu messenden Gases in eine Probenmesskammer gezogen wird, um dort in der beschriebenen Weise beleuchtet und gemessen zu werden. Diese Anordnung kann insbesondere nützlich sein bei Anwendungen wie der Prozesssteuerung oder, wenn es nicht praktikabel ist, einen Messstrahl vor einer vorausgehenden Probenaufbereitung durch das Gas zu schicken.
  • Die vorstehend beschriebene Vorrichtung kann modifiziert werden. Beispielsweise brauchen die Mittel zur Sammlung und Kollimation der optischen Strahlung der Laserdiode(n) nicht auf die einfachen optischen Elemente beschränkt zu sein, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Die zu diesem Zweck verwendeten optischen Elemente können stattdessen eine Anzahl separater optischer Elemente umfassen, die kombiniert werden, um die nötigen Funktionen der Laserdiodenstrahlungssammlung, Kollimation und Übertragung durch den überwachten Raum zu erfüllen. Zudem brauchen diese optischen Elemente nicht auf die dargestellten optischen Freiraumelemente begrenzt sein. Die Strahlung der Laserdiode(n) kann in faseroptische Kabel eingespeist und einem oder mehreren optischen Elementen zugeführt werden, die dafür angeordnet sind, die Strahlung zu kollimieren und durch den überwachten Raum zu schicken.
  • Ergebnisse oder Messungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können auf unterschiedliche Weise ausgegeben werden, wobei es im wesentlichen darauf ankommt, wie oder wofür die Ergebnisse oder Messungen verwendet werden sollen. Ausgabemittel für Ergebnisse oder Messungen können beispielsweise ein analoges elektrisches Signal umfassen, das der Gaskonzentration oder Gasmenge proportional ist, ein digitales elektrisches Signal, das einem festgelegten Protokoll genügt und numerische Daten enthält, welche die Gaskonzentration oder Gasmenge angeben, eine numerische Darstellung der Gaskonzentration oder Gasmenge auf einem Bildschirm und das Öffnen oder Schließen von Relais bei vorgegebenen Gaskonzentrationen oder Gasmengen.

Claims (71)

  1. Methode zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum (105), die das Auftragen eines elektrischen Steuerstroms auf eine Laserdiode (101/114) umfasst, um eine optische Strahlung einer Wellenlänge, die vom Steuerstrom definiert wird, zu generieren, wobei die optische Strahlung quer durch den überwachten Raum (105) übertragen und ihre optische Absorption. bestimmt wird, und worin der Steuerstrom zwei mittlere Wellenlängen Λ1 und Λ2 für die optische Strahlung definiert und eine elektrische Modulation mit zwei Frequenzen f bzw. f' beinhaltet, wobei Λ1 bzw. Λ2 entsprechend nahe an zwei separaten optischen Absorptionslinien des Zielgases sind, und f und f' sind nicht harmonisch verwandt.
  2. Methode zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 1, worin die optische Strahlung von einer einzelnen Laserdiode generiert wird, und der Steuerstrom umfasst eine vorspannende Komponente, die zwischen zwei Werten alterniert und Λ1 bzw. Λ2 definiert.
  3. Methode zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 1, worin die optische Strahlung von zwei Laserdioden generiert wird, von denen eine einen besagten Steuerstrom hat, der eine vorspannende Komponente mit einem Wert von Λ1 umfasst, und die andere hat einen besagten Steuerstrom, der eine vorspannende Komponente umfasst, die Λ2 definiert.
  4. Methode zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, worin die elektrische Modulation sinusförmig ist.
  5. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum (105), wobei diese Vorrichtung eine Laserdiode (101/114), die zur Übertragung der Strahlung quer durch den überwachten Raum (105) fähig ist, und einen ersten optischen Empfänger (107), der zum Empfang der übertragenen Strahlung und zur Bestimmung seiner optischen Absorption fähig ist, umfasst, worin ein Steuerstrom auf die Laserdiode (101/114) aufgetragen wird, um zwei mittlere Wellenlängen Λ1 und Λ2 für die optische Strahlung zu definieren, und er wird elektrisch mit den zwei Frequenzen f bzw. f' reguliert, wobei Λ1 und Λ2 entsprechend nahe an zwei separaten optischen Absorptionslinien des Zielgases sind, und f und f' sind nicht harmonisch verwandt.
  6. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 5, worin die Vorrichtung eine einzelne Laserdiode umfasst, und der Steuerstrom, der darauf aufgetragen wird, umfasst eine vorspannende Komponente, die zwischen zwei Werten alterniert und Λ1 bzw. Λ2 definiert.
  7. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 5, worin die Vorrichtung zwei Laserdioden umfasst, von denen eine einen Steuerstrom hat, der eine vorspannende Komponente umfasst, die Λ1 definiert, und die andere hat einen Steuerstrom, der eine vorspannende Komponente umfasst, die Λ2 definiert.
  8. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 7, in dem die elektrische Modulation, die auf die bzw. jede Laserdiode aufgetragen wird, sinusförmig, ist.
  9. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 8, worin die besagte sinusförmige Komponente synchron zwischen den zwei nicht harmonisch verwandten elektrischen Frequenzen f und f' alterniert wird, bei denen die Wellenlänge des Lasers quer über eine oder die andere der gewählten Absorptionslinien auf einen vorbestimmten Intervall abgetastet wird, worin die optische Strahlung von der Laserdiode gesammelt und durch den überwachten Raum übertragen wird und anschließend einen optischen Detektor erleuchtet, wobei ein elektrisches Signal von diesem optischen Detektor verstärkt, digitalisiert und verarbeitet wird, um die Größen der Frequenzkomponenten f, f', f1 und f2 zu bestimmen, wobei die Frequenzen f1 und f2 Oberschwingungen ähnlicher Ordnung wie die nicht harmonisch verwandten elektrischen Frequenzen f und f' sind, was eine Normalisierung der Größen von f1 und f2 bezüglich ihrer Grundlagen ist.
  10. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 9, die ein Mittel beinhaltet, das dazu fähig ist, die Mengen Q1 und Q2 zu berechnen, Schätzungen der Menge des Zielgases im überwachten Raum auf der Basis der normalisierten Größe der Frequenzkomponenten f1 and f2 zu trennen, die Mengen Q1 und Q2 zu vergleichen, um die Qualität ihrer Übereinstimmung miteinander und mit den früheren Ergebnissen von Messungen, die durch den überwachten Raum durchgeführt wurden, zu bestimmen, und Regeln anzuwenden, die von dieser Qualität abhängig sind, und Q1 und Q2 in Kombination mit vorherigen Ergebnissen zu verwenden, um die Menge des Zielgases, das im überwachten Raum vorhanden ist, zu berechnen.
  11. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum (105), die zwei oder mehr Laserdioden (101, 102), Mittel zum Antreiben jeder Laserdiode (101, 102) durch einen Vorspannungsstrom, der bewirkt, dass sie mit einer mittleren Wellenlänge nahe an einer anderen optischen Absorptionslinie desselben Zielgases betrieben werden kann, und Mittel zum Abtasten quer über diese Linie durch eine sinusförmige Stromkomponente mit einer Frequenz, die nicht harmonisch mit irgendeiner anderen verwendeten Abtastfrequenz verwandt ist, Mittel zum Sammeln der optischen Strahlung von allen Laserdioden (101, 102), Mittel zur Übertragung der besagten Strahlung durch den überwachten Raum und zum anschließenden Erleuchten eines oder mehrerer optischer Detektoren (107), Mittel zur Verstärkung, Digitalisierung und Verarbeitung des elektrischen Signals vom Detektor bzw. von den Detektoren (107), um die Größe der Komponenten mit den grundlegenden Abtastfrequenzen und Oberschwingungen ähnlicher Ordnung dieser grundlegenden Frequenzen, Mittel zur Normalisierung jeder Oberschwingung bezüglich der Größe seiner Grundlage, Berechnung separater Schätzungen der Menge des im überwachten Raum vorhandenen Zielgases auf der Basis jeder normalisierten Oberschwingung, Vergleich dieser Mengenschätzungen miteinander und mit den früheren Ergebnissen für die Messungen, die durch den überwachten Raum gemacht wurden, und Anwenden von Regeln, die von dieser Qualität abhängig sind, Mittel zur Verwendung dieser Mengen in Kombination mit vorherigen Ergebnissen zum Berechnen der Menge des Zielgases, das im überwachten Raum vorhanden ist, wobei diese berechnete Menge des Gases, das von der Vorrichtung unter Verwendung herkömmlicher Mittel ausgegeben wird, umfasst.
  12. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 11, worin sich die Laserdioden an Positionen befinden, die so berechnet wurden, dass sie die Bildung von kohärenten Interferenzstreifen mit gemeinsamer Phase, Amplitude oder Frequenz auf ein Minimum beschränken.
  13. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 11, worin die Strahlung von jeder Laserdiode gesammelt und durch separate optische Elemente mit unterschiedlichen, nicht harmonisch verwandten, effektiven Brennweiten und -stärken parallel gerichtet wird.
  14. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 11, worin drei mittlere Wellenlängen nahe an drei distinktiven optischen Absorptionslinien desselben Zielgases gewählt werden, so dass entweder alle in einer Region mit niedriger Absorption durch atmosphärische Gase sind, oder dass zwei in Regionen mit niedriger Absorption durch atmosphärische Gase sind, während die andere in einer Region mit hoher Absorption durch atmosphärische Gase ist, oder eine ist. in einer Region mit niedriger Absorption durch atmosphärische Gase, während die anderen in Regionen mit einer höheren Absorption durch atmosphärische Gase sind, oder alle sind in Regionen, die durch eine Absorption durch verschiedene atmosphärische Gasarten oder Kombinationen davon betroffen sind.
  15. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 11, worin die Regeln, die die Verwendung von drei geschätzten Gasmengen Q1, Q2 und Q3 in Kombination mit Ergebnissen für frühere Messungen, die durch den überwachten Raum zum Berechnen der Menge des Gases, das im überwachten Raum vorhanden ist, bestimmen, dementsprechend sind, dass, wenn Q1 , Q2 und Q3 in guter Übereinstimmung sind, ein großer Anteil des Durchschnitts von Q1, Q2 und Q3 zu einem Ausgleichsanteil des gleitenden Mittels von früheren Ergebnissen hinzugezählt wird. Wenn jedoch entweder Q1 und Q2, oder Q2 und Q3, oder Q1 und Q3 in guter Übereinstimmung miteinander und mit dem gleitenden Mittel von früheren Ergebnissen ist, wird die Menge, die nicht in guter Übereinstimmung ist, abgelehnt, während ein großer Anteil des Durchschnitts der restlichen Mengen zu einem Ausgleichsanteil des gleitenden Mittels von früheren Ergebnissen hinzugezählt wird. Wenn Q1, Q2 und Q3 in angemessener aber nicht guter Übereinstimmung miteinander und mit dem gleitenden Mittel von früheren Ergebnissen sind, wird ein geringerer Anteil des Durchschnitts von Q1, Q2 und Q3 zu einem größeren Ausgleichsanteil des gleitenden Mittels von früheren Ergebnissen hinzugezählt. Wenn Q1, Q2 und Q3 in angemessener aber nicht guter Übereinstimmung miteinander, aber nicht in guter oder angemessener Übereinstimmung mit dem gleitenden Mittel von früheren Ergebnissen ist, wird ein noch geringerer Anteil des Durchschnitts von Q1, Q2 und Q3 zu einem noch größeren Ausgleichsanteil des gleitenden Mittels von früheren Ergebnissen hinzugezählt. Wenn nur eine der Mengen Q1, Q2 oder Q3 in guter Übereinstimmung mit dem gleitenden Mittel von früheren Ergebnissen ist, werden die anderen Mengen abgelehnt, und ein Anteil der restlichen Menge wird zu einem größeren Ausgleichsanteil des gleitenden Mittels von früheren Ergebnissen hinzugezählt. Wenn Q1, Q2 und Q3 in schlechter Übereinstimmung miteinander und mit dem gleitenden Mittel von früheren Ergebnissen ist, werden Q1, Q2 und Q3 abgelehnt und nur das gleitende Mittel der früheren Ergebnisse wird verwendet.
  16. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 11, worin alle Laserdioden eng aneinander auf einer gemeinsamen temperaturstabilisierten Halterung angebracht sind und ihre Ausgaben durch ein gemeinsames optisches Element parallel gerichtet werden.
  17. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 11, worin die Laserdioden und der Vorspannungsstrom der Laserdioden dementsprechend sind, dass alle Laserdioden gleichzeitig mit ihren richtigen mittleren Wellenlängen mit einer nahezu optimalen Ausgangsleistung bei gleicher Temperatur arbeiten.
  18. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin die Wellenlängen-Abtastbereiche für die oder jede Laserdiode nicht harmonisch verwandt sind und signifikant unterschiedliche charakteristische Distanzen bezüglich der Bildung von kohärenten Interferenzstreifen haben.
  19. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin jede Absorptionslinie des Zielgases mit zwei nicht harmonisch verwandten elektrischen Frequenzen abgetastet wird, und die Messungen einer Absorption durch diese Linien erfolgen durch die Bestimmung der Größe der zwei Oberschwingungen ähnlicher Ordnung der nicht harmonisch verwandten Abtastfrequenzen, wobei dieser Prozess für jede Absorptionslinie, die abgetastet wird, durchgeführt wird, und wenn dieser Prozess gleichzeitig durchgeführt wird, müssen alle elektrischen Abtastfrequenzen, die gewählt werden, nicht harmonisch verwandt sein.
  20. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin zwei mittlere Wellenlängen nahe an zwei separaten optischen Absorptionslinien desselben Zielgases gewählt werden, so dass entweder beide in Regionen mit niedriger Absorption durch atmosphärische Gase sind, oder dass eine in einer Region mit niedriger Absorption durch atmosphärische Gase ist, oder eine ist in einer Region, die durch eine Absorption durch eine bestimmte atmosphärische Gasart betroffen ist, während die andere in einer Region ist, die durch die Absorption durch eine andere atmosphärische Gasart betroffen ist
  21. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin die Regeln, die die Verwendung von zwei geschätzten Gasmengen Q1 und Q2 in Kombination mit Ergebnissen für frühere Messungen, die durch den überwachten Raum zum Berechnen der Menge des Gases, das im überwachten Raum vorhanden ist, bestimmen, dementsprechend sind, dass, wenn Q1 und Q2 in guter Übereinstimmung sind, ein großer Anteil des Durchschnitts von Q1 und Q2 zu einem Ausgleichsanteil des gleitenden Mittels von früheren Ergebnissen hinzugezählt wird. Wenn jedoch Q1 oder Q2 in angemessener aber nicht guter Übereinstimmung sind, wird ein geringerer Anteil des Durchschnitts von Q1 und Q2 zu einem größeren Ausgleichsanteil des gleitenden Mittels von früheren Ergebnissen hinzugezählt. Wenn nur Q1 oder nur Q2 in guter oder angemessener Übereinstimmung mit dem gleitenden Mittel von früheren Ergebnissen ist, wird die Menge, die nicht in guter oder angemessener Übereinstimmung ist, abgelehnt, während ein geringerer Anteil der Menge mit guter oder angemessener Übereinstimmung zu einem größeren Ausgleichsanteil des gleitenden Mittels von früheren Ergebnissen hinzugezählt wird. Wenn Q1 und Q2 in schlechter Übereinstimmung miteinander und mit dem gleitenden Mittel von früheren Ergebnissen sind, wird sowohl Q1 als auch Q2 abgelehnt, und nur das gleitende Mittel der früheren Ergebnisse wird verwendet
  22. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin die Ergebnisse der Messungen, die an den Linien des Zielgases in Regionen mit bekannter niedriger Absorption durch atmosphärische Gase vorgenommen wurden, verwendet werden, um die Auswirkungen der Absorption durch atmosphärische Gase in Regionen mit stärkerer Absorption durch atmosphärische Gase von echten Änderungen der Zielgaskonzentration zu unterscheiden, wobei etwaige Verschiebungen, die durch diese Absorption entstehen, ausgeglichen werden.
  23. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin die Diodenlaser VCSELs sind.
  24. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin das Mittel zum Sammeln der Laserstrahlung und ihre Übertragung durch den überwachten Raum Kombinationen aus optischen Freiraumelementen und Glasfasern beinhaltet.
  25. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei anstatt der Verstärkung, Digitalisierung und digitalen Verarbeitung der Detektorsignale zur Bestimmung der Größe der verschiedenen Frequenzkomponenten die Größen der Frequenzkomponenten durch Verstärkung der Detektorsignale und durch synchronen Nachweis der verschiedenen Frequenzkomponenten unter Verwendung von mehrfachen synchronen Detektoren, die in Parallelschaltung auf die Signale einwirken, bestimmt werden.
  26. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin das besagte Gas in eine Messkammer gezogen wird, in der es durch die Laserdiodenstrahlung erleuchtet wird.
  27. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Vorrichtung so eingerichtet ist, dass sie Schwefelwasserstoff durch Messen einer beliebigen Kombination aus zwei oder mehreren Absorptionslinien des Schwefelwasserstoffs bei 1582,13 nm, 1589,24 nm, 1589,42 nm, 1589,54 nm, 1589,97 nm and 1593,05 nm nachweist.
  28. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin das Ausgabemittel für die Konzentration oder Menge des berechneten Gases, das im überwachten Pfad oder in der Probenmesskammer vorhanden ist, ein analoges elektrisches Signal, das proportional zur Konzentration oder Menge des Gases ist, ein digitales elektronisches Signal, das einem definierten Protokoll entspricht und numerische Informationen enthält, die die Konzentration oder Menge des Gases vermittelt, eine numerische Darstellung der Konzentration oder Menge des Gases auf einem Display, das mit der Vorrichtung assoziiert ist oder einen Teil davon darstellt, oder das Öffnen und Schließen von Relais bei vorgeschriebenen Konzentrationen oder Mengen von Gas, wobei diese Relais und die erforderlichen Steuerschaltkreise entweder mit der Vorrichtung assoziiert sind oder einen Teil davon darstellen, beinhaltet.
  29. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung für den Nachweis von Methan, Ethan, Propan oder Ethylen eingerichtet ist, worin die vorspannende Komponente des Steuerstroms der Laserdiode auf so eine Weise variiert ist, die zum Betreiben der Laserdiode mit Wellenlängen, die entweder zum Abtasten einer der beiden Absorptionslinien des Methans bei 1684 nm und 1687,3 nm und einer oder mehrerer der Absorptionslinien oder Merkmale der anderen Gase bei 1684,3 nm, 1686,4 nm und 1687,0 nm bestimmt ist, wobei die Abtastkomponente die Wellenlängen der Laserdiode über den gewählten Absorptionslinien oder Merkmalen wiederholt abtastet, wobei die optische Strahlung von der Laserdiode gesammelt und durch den überwachten Raum übertragen wird und anschließend einen optischen Detektor erleuchtet, wobei das elektrische Signal von diesem optischen Detektor verarbeitet wird, um das Gas bzw. die Gase, die im überwachten Raum vorhanden sind, sowie die Mengen jedes vorhandenen Gases zu bestimmen.
  30. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 29, worin die Menge des Methangases, das im überwachten Raum vorhanden ist, bestimmt wird, und woraufhin die Menge des vorhandenen Schwefelwasserstoffs unter Verwendung einer Koeffiziente geschätzt wird, die die Menge des Methans mit der Menge des Schwefelwasserstoffs für das Lösungsgas eines bestimmten Bereichs oder einer bestimmten Einrichtung in Zusammenhang bringt.
  31. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruche 6, wobei die Vorrichtung für den Nachweis von Schwefelwasserstoff eingerichtet ist, worin die vorspannende Komponente des Steuerstroms der Laserdiode auf so eine Weise variiert ist, die zum Betreiben der Laserdiode mit einer oder mehreren Wellenlängen, die zum Abtasten einer der Absorptionslinien oder Merkmale des Methans geeignet sind, bestimmt ist, wobei die Abtastkomponente die Wellenlänge der Laserdiode über den gewählten Absorptionslinien oder Merkmalen wiederholt abtastet, wobei die optische Strahlung von der Laserdiode gesammelt und durch den überwachten Raum übertragen wird und anschließend einen optischen Detektor erleuchtet, wobei das elektrische Signal von diesem optischen Detektor verarbeitet wird, um die Menge des Methangases, das im überwachten Raum vorhanden ist, zu bestimmen, woraufhin die Menge des vorhandenen Schwefelwasserstoffs unter Verwendung einer Koeffiziente, die die Menge des Methans mit der Menge des Schwefelwasserstoffs für das Lösungsgas eines bestimmten Bereichs oder einer bestimmten Einrichtung in Zusammenhang bringt, geschätzt wird.
  32. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 30 oder Anspruch 31, worin die besagte Vorrichtung ein Mittel zum Aktualisieren der besagten Koeffiziente beinhaltet.
  33. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 30 bis 32, wobei diese Vorrichtung so eingerichtet ist, dass ihre Ausgaben die Konzentrationen oder Mengen von Gasen darstellen, deren Vorhandensein im überwachten Raum oder in der Probenmesskammer berechnet oder geschätzt wird, worin die besagten Ausgaben analoge elektrische Signale, die proportional zur Konzentration oder Menge jedes Gases sind, ein digitales elektronisches Signal, das einem definierten Protokoll entspricht und numerische Informationen, die die Konzentration oder Menge eines jeden Gases vermitteln, und eine numerische Darstellung der Konzentration oder Menge jedes Gases beinhalten.
  34. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten. Raum nach einem der Ansprüche 30 bis 33, die zwei Laserdioden umfasst, von denen eine bei Wellenlängen zum Abtasten von Absorptionslinien von entzündlichen Gasen, u. a. Methan, Ethan und Propan, betrieben wird, und die andere wird mit einer Wellenlänge zum Abtasten einer Absorptionslinie von Schwefelwasserstoff betrieben.
  35. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 34, die einen Alarm umfasst, der aktiviert wird, wenn die Vorrichtung gefährliche Gase feststellt, wobei der Alarm nur aktiviert wird, wenn die Vorrichtung sowohl Schwefelwasserstoff als auch Methan feststellt.
  36. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 35, wobei der Alarm nur aktiviert wird, wenn die Vorrichtung Methan über einem vorbestimmten Schwellenwert feststellt.
  37. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 36, wobei der besagte Schwellenwert durch Aufzeichnungen über die Säure der in der Einrichtung gehandhabten Petrochemikalien bestimmt wird.
  38. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 6, worin die optische Strahlung von der Laserdiode in zwei Anteile geteilt wird, wobei ein Anteil durch eine einbehaltene Probe des Zielgases geleitet wird und einen optischen Detektor erleuchtet, wobei das Signal von diesem optischen Detektor vom Sender verwendet wird, um die Position und Breite der Absorptionslinie des Zielgases bezüglich der Wellenform der Abtastkomponente aufrechtzuerhalten, wobei der zweite Anteil durch einen überwachten Raum übertragen wird, um einen optischen Detektor in einem Empfänger zu erleuchten, wobei das Signal von diesem optischen Detektor so verarbeitet wird, dass es die Menge des im überwachten Raum vorhandenen Zielgases berechnet, wobei diese Menge vom Empfänger ausgegeben wird, und der Sender beinhaltet Mittel zur elektronischen Einbringung einer Nachbildung des Absorptionsmerkmals in die Intensität der optischen Ausgabe der Laserdiode, wobei die Position, Breite und Form des nachgebildeten Absorptionsmerkmals, die mit denen korrespondieren, von denen bekannt ist, dass sie von der Absorptionslinie des Zielgases produziert werden und aktiv vom Sender aufrechterhalten werden, wobei die Größe des nachgebildeten Absorptionsmerkmals eine kontrollierte Variable ist, die so berechnet wird, dass sie das Vorhandensein einer benannten Menge des Zielgases im überwachten Raum simuliert.
  39. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 38, worin der Antriebsstrom zur Laserdiode von einem digitalen Synthesizererzeugt wird, der einen Digital-Analog-Wandler (DAW) zur Ausgabe einer Sequenz von Spannungen, die von einem Spannungs-Strom-Wandler (V-I) in einen Strom verwandelt werden, verwendet, wobei die Sequenz von Spannungen berechnet wird, um die gewünschten Stromwellenformen zu erzeugen, wobei die Wellenformen diejenigen beinhalten, die zum Vorspannen und Abtasten der Laserdiode erforderlich sind, und, soweit erforderlich, um ein nachgebildetes Absorptionsmerkmal in die Ausgabe der Laserdiode einzubringen, wodurch das Vorhandensein einer benannten Menge des Zielgases im überwachten Raum simuliert wird.
  40. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 38, worin die Laserdiode im Sender insgesamt zwei oder mehrere gewählte Absorptionslinien eines oder mehrerer Zielgase abtastet, wobei die einbehaltene Gasprobe eine Menge von jedem des einen oder der mehreren Zielgase beinhaltet, und verwendet wird, um die Position und Breite jeder gewählten Absorptionslinie des einen oder der mehreren Zielgase bezüglich der Wellenform der Abtastkomponente aufrechtzuerhalten, und der Sender beinhaltet Mittel zur elektronischen Einbringung einer Nachbildung der Absorptionsmerkmale in die Intensität der optischen Ausgabe der Laserdiode, wobei die Position, Breite und Form dieser nachgebildeten Absorptionsmerkmale mit denen korrespondieren, von denen bekannt ist, dass sie von den Absorptionslinien des einen oder der mehreren Zielgase produziert werden und aktiv vom Sender aufrechterhalten werden, wobei die Größe der nachgebildeten Absorptionsmerkmale kontrollierte Variablen sind, die so berechnet werden, dass sie das Vorhandensein von benannten Mengen des einen oder der mehreren Zielgase im überwachten Raum simulieren.
  41. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 38, die zwei oder mehrere Laserdioden umfasst, die so eingerichtet sind, dass sie ein oder mehrere Zielgase nachweisen oder messen, wobei die Ausgabe von jeder Laserdiode in zwei Anteile geteilt wird, wobei ein Anteil zum Erleuchten einer einbehaltenen Probe des einen oder der mehreren Zielgase verwendet wird, um die Position und Breite der einen oder mehreren Absorptionslinien bezüglich der Wellenform der Abtastkomponente aufrechtzuerhalten, und der andere Anteil wird durch einen überwachten Raum an einen Empfänger übertragen, wobei der Empfänger in der Lage ist, die optischen Signale von den zwei oder mehreren Laserdioden nachzuweisen und zu verarbeiten, um die Mengen. des einen oder der mehreren Zielgase im überwachten Raum zu berechnen, und der Sender beinhaltet Mittel zur elektronischen Einbringung einer Nachbildung der Absorptionsmerkmale in die Intensität der optischen Ausgabe jeder dieser Laserdioden, wobei die Position, Breite und Form der nachgebildeten Absorptionsmerkmale, die mit denen korrespondieren, von denen bekannt ist, dass sie von den Absorptionslinien des Zielgases produziert und aktiv vom Sender aufrechterhalten werden, wobei die Größen der nachgebildeten Absorptionsmerkmale kontrollierte Variablen sind, die so berechnet werden, dass sie das Vorhandensein von benannten Mengen des einen oder der mehreren Zielgase im überwachten Raum simulieren.
  42. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 38 bis 41, wobei Mittel bereitgestellt werden, mit denen ein Bediener oder Steuersystem den Sender anweisen kann, das Vorhandensein von benannten Mengen eines oder mehrerer Zielgase im überwachten Raum zu simulieren, und der Sender simuliert anschließend elektronisch das Vorhandensein der benannten Mengen des einen oder der mehreren Zielgase.
  43. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 38 bis 42, worin im Fall, in dem der Sender feststellt, dass die Position und Breite der einen oder mehreren Absorptionslinien des Zielgases bezüglich der Wellenform der Abtastkomponente nicht aufrechterhalten werden kann, was er nicht korrigieren kann, und der Sender hört entweder mit der Übertragung auf oder moduliert seine Laserdiode mit einem Signal, das dem Empfänger anzeigt, dass der Sender ein Problem hat, dem Aufmerksamkeit geschenkt werden muss.
  44. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 43, worin im Fall, dass der Empfänger kein Signal vom Sender erhält, oder ein Signal vom Sender erhält, das anzeigt, dass der Sender ein Problem hat, dem Aufmerksamkeit geschenkt werden muss, der Empfänger seine Ausgabe ändert, um den Verlust des Sendersignals oder das Vorhandensein eines Senderproblems anzuzeigen.
  45. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 38 bis 44, worin der Sender und der Empfänger effektiv Bestandteile einer Vorrichtung zum Nachweis oder Messen eines einzelnen Gases sind, und worin Gas in eine Probenmesskammer gezogen oder zerstreut wird, um durch die Strahlung der Laserdiode erleuchtet und gemessen zu werden.
  46. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 38 bis 41, worin anstatt der Beleuchtung einer einbehaltenen Probe des Zielgases zum Zweck der Wellenlängenregistrierung ein Anteil der Ausgabe von der Laserdiode des Senders eine optische Komponente erleuchtet, die übertragbare oder. reflektierende Eigenschaften besitzt und dazu bestimmt ist, die Funktion der Wellenlängenregistrierung bereitzustellen, und nachdem die besagte Komponente erleuchtet wurde, wird die übertragene oder reflektierende Erleuchtung auf einen optischen Detektor im Sender konzentriert.
  47. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 46, worin die besagte optische Komponente ein Schmalband-Störungsfilter, ein Beugungsgitter („Diffraction Grating"), ein holographisches optisches Element, ein Etalon oder ein Faser-Bragg-Gitter beinhaltet.
  48. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 38 bis 41, worin die Position und Breite der Absorptionslinie des Zielgases bezüglich der Wellenform der Abtastkomponente nicht aktiv vom Sender aufrechterhalten wird, wobei das Signal vom optischen Detektor im Sender stattdessen ausschließlich zur Überwachung der Position, Breite und Form der Absorptionslinie des Zielgases bezüglich der Wellenform der Abtastkomponente verwendet wird, wobei Kommunikationsmittel zwischen dem Sender und dem Empfänger bereitgestellt werden, die verwendet werden, um dem Empfänger Daten zu übermitteln, die die Position, Breite und Form der Absorptionslinie des Zielgases vermitteln, wobei das Signal vom Detektor des Empfängers verarbeitet wird, und wobei die Position, Breite und Formdaten der Absorptionslinie des verfügbaren Zielgases verwendet werden, um die Menge des Zielgases, das im überwachten Raum vorhanden ist, zu berechnen, wobei diese Menge vom Empfänger ausgegeben wird, und der Sender beinhaltet Mittel zur elektronischen Einbringung einer Nachbildung. des Absorptionsmerkmals in die Intensität der optischen Ausgabe der Laserdiode, wobei die Position, Breite und Form des nachgebildeten Absorptionsmerkmals mit denen korrespondieren, von denen bekannt ist, dass sie von der Absorptionslinie des Zielgases produziert werden, wobei die Größe des nachgebildeten Absorptionsmerkmals eine kontrollierte Variable ist, die so berechnet wird, dass sie das Vorhandensein einer benannten Menge des Zielgases im überwachten Raum simuliert.
  49. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 38 bis 41, wobei das Mittel zum Sammeln der Laserdiodenstrahlung und Ihre Übertragung durch den überwachten Raum Kombinationen aus optischen Freiraumelementen und/oder Glasfaser beinhaltet.
  50. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 5, worin die besagte Vorrichtung einen optischen Verteiler beinhaltet, der zur Aufteilung der Strahlung in zwei Anteile fähig ist, von denen ein Anteil quer durch den überwachten Raum zum besagten ersten optischen Empfänger übertragen und das andere durch eine einbehaltene Probe des Zielgases an einen zweiten optischen Empfänger geleitet wird, wobei der Steuerstrom, der auf die Laserdiode aufgetragen wird, durch ein Rückkopplungssignal vom besagten zweiten optischen Empfänger kontrolliert wird, so dass die Absorption der Strahlung ein Verzerrungsmuster hat, das für das Zielgas spezifisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Verzerrungsmuster zwei Oberschwingungen der Modulationsfrequenz hat, wobei jede eine beträchtliche Größe hat.
  51. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 50, worin das Verzerrungsmuster eine geradzahlige und eine ungeradzahlige Oberschwingung beinhaltet.
  52. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 50 oder Anspruch 51, worin das Verzerrungsmuster drei Oberschwingungen einer beträchtlichen Größe beinhaltet.
  53. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 50 bis 52, worin die besagten Oberschwingungen eine vorbestimmte Beziehung sowohl in Größe als auch Phasenwinkel haben.
  54. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 53, worin die Menge des Zielgases, das im überwachten Raum vorhanden ist, vom Signal vom ersten optischen Empfänger und dem spezifischen Verzerrungsmuster berechnet wird.
  55. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 50 bis 54, worin der Sender einen optischen Detektor beinhaltet, an den ein weiterer Anteil der optischen Strahlung vom optischen Verteiler geleitet wird, und der besagte Detektor erzeugt ein Signal, das die Größe und Phase einer Komponente des besagten Verzerrungsmusters darstellt, das in der Strahlung von der Laserdiode beim Fehlen der Absorption durch das Zielgas vorhanden ist, und das besagte Signal wird von der Ausgabe des ersten optischen Empfängers subtrahiert.
  56. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 50 bis 55, worin der Steuerstrom von einem digitalen Synthesizer erzeugt wird, der einen Digital-Analog-Wandler (DAC) zur Ausgabe einer Sequenz von Spannungen und einen Spannung-Strom-Wandler (V-I) zum Umwandeln der besagten Spannungen in einen Strom beinhaltet.
  57. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 50 bis 56, worin die Laserdiode folgerichtig eine Vielzahl von gewählten Absorptionslinien eines Zielgases abtastet.
  58. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 57, wobei die Vorrichtung zum Abtasten gewählter Absorptionslinien einer Vielzahl von Zielgasen fähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte einbehaltene Probe eine Menge jedes besagten Gases beinhaltet.
  59. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 50 bis 58, die eine Vielzahl der besagten optischen Sender und einen besagten optischen Empfänger, der zum Empfang der übertragenen Strahlung von jeder der besagten Vielzahl fähig ist, beinhaltet.
  60. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 50 bis 57, die Messmittel, die zum Berechnen der Menge des Zielgases im überwachten Raum fähig sind, beinhaltet.
  61. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 60, worin der überwachte Raum durch eine Messkammer definiert wird, und bei deren Verwendung das Zielgas in sie eingebracht und durch die besagte Strahlung erleuchtet wird.
  62. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 60 oder Anspruch 61, worin, das Messmittel eine Ausgabe bereitstellt, die die berechnete Menge des Zielgases anzeigt, wobei die besagte Ausgabe eine analoge Darstellung der besagten Menge, eine digitale Darstellung der besagten Menge und eine numerische Anzeige des besagten Mengensignals umfasst.
  63. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 62, wobei die Vorrichtung einen Alarm beinhaltet, der zum automatischen Signalisieren der Messung einer Menge des Gases über einer vorbestimmten Schwelle fähig ist.
  64. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 50 bis 63, einschließlich eines Mittels zum Sammeln der optischen Strahlung und ihre Übertragung quer durch den überwachten Raum, wobei das besagte Mittel Kombinationen aus optischen Freiraumelementen und/oder Glasfasern besteht.
  65. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 5, worin der Steuerstrom der Laserdiode vorspannende und die Wellenlänge abtastende Komponenten hat, die so eingerichtet sind, dass eine Absorption einer optischen Strahlung von der Laserdiode durch Zielgas einen spezifischen „Fingerabdruck" der Verzerrung erzeugt, einschließlich mindestens zwei Oberschwingungen der Frequenz der die Wellenlänge abtastenden Komponente, die beide eine beträchtliche Größe und bekannte, festgelegte Größenverhältnisse und Phasenwinkel haben, wobei die besagte optische Strahlung in zwei Anteile geteilt wird, wobei ein Anteil durch eine einbehaltene Probe des Zielgases geleitet wird und einen optischen Detektor erleuchtet, wobei dessen Signal vom Sender verwendet wird, um die Bedingungen, die für die Generierung des spezifischen „Fingerabdrucks" der Verzerrung erforderlich sind, aufrechtzuerhalten, und der zweite Anteil wird durch den besagten überwachten Raum übertragen, um einen zweiten optischen Detektor in einem Empfänger zu erleuchten, wobei das Signal vom besagten zweiten optischen Detektor in Bezug auf den besagten spezifischen „Fingerabdruck" der Verzerrung so verarbeitet wird, dass es die Menge des im überwachten Raum vorhandenen Zielgases berechnet, und der Empfänger bietet ein Ausgangssignal, das für die berechnete Menge repräsentativ ist.
  66. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 65, worin ein zusätzlicher Anteil der optischen Strahlung von der Laserdiode als Probe entnommen wird, wobei dieser Anteil direkt einen optischen Detektor innerhalb des Senders erleuchtet, und das Signal von diesem Detektor wird zum Messen der Größen und Phasen jeglicher „Fingerabdruck"-Komponenten verwendet, die in der Wellenformausgabe durch die Laserdiode beim Fehlen einer Absorption durch das Zielgas vorhanden sind, und diese Information wird laufend an den Empfänger übermittelt, um sie von seinen Messungen der Wellenform der optischen Strahlung, die durch den überwachten Raum übertragen wurde, zu subtrahieren.
  67. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 65 oder Anspruch 66, worin die Laserdiode im Sender sequenziell insgesamt zwei oder mehrere gewählte Absorptionslinien von einem oder mehreren Zielgasen abtastet, wobei die einbehaltene Gasprobe eine Menge von jedem des einen oder der mehreren Zielgase beinhaltet, und wird verwendet, um die Bedingungen, die für die Generierung von spezifischen „Fingerabdrücken" der Verzerrung für jede gewählte Absorptionslinie des einen oder der mehreren Zielgase erforderlich sind, aufrechtzuerhalten.
  68. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 65 bis 67, worin zwei oder mehrere Laserdioden verwendet werden, um ein oder mehrere Zielgase nachzuweisen oder zu messen, wobei die Ausgabe von jeder Laserdiode in zwei Anteile geteilt wird, wobei ein Anteil zum Erleuchten einer einbehaltenen Probe des einen oder der mehreren Zielgase verwendet wird, um die Bedingungen, die zum Generieren von spezifischen „Fingerabdrücken" der Verzerrung für jede gewählte Absorptionslinie des einen oder der mehreren Zielgase erforderlich sind, aufrechtzuerhalten, und der zweite Anteil wird durch einen überwachten Raum an einen Empfänger übertragen, wobei der Empfänger in der Lage ist, die optischen Signale von den zwei oder mehreren Laserdioden nachzuweisen und zu verarbeiten, um die Mengen des einen oder der mehreren Zielgase im überwachten Raum zu berechnen, wobei bei dieser Verarbeitung die bekannten, spezifischen „Fingerabdrücke„ der Verzerrung genutzt werden, die vom Sender aktiv aufrechterhalten werden.
  69. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach Anspruch 68, worin zusätzliche Anteile der optischen Strahlungsausgabe von den Laserdioden als Probe entnommen werden, wobei diese Anteile direkt einen optischen Detektor innerhalb des Senders erleuchten und das Signal von diesem Detektor zum Messen der Größen und Phasen jeglicher „Fingerabdruck"-Komponenten verwendet wird, die in der Wellenformausgabe durch die Laserdioden beim Fehlen einer Absorption durch das Zielgas vorhanden sind, und diese Information wird laufend an den Empfänger übermittelt, um sie von seinen Messungen der Wellenformen der optischen Strahlung, die durch den überwachten Raum übertragen wurde, zu subtrahieren.
  70. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 65 bis 69, worin der Sender und der Empfänger effektiv Bestandteile einer Vorrichtung zum Nachweis oder Messen eines einzelnen Gases sind, wobei Gas in eine Probenmesskammer gezogen oder zerstreut wird, um durch die Strahlung der Laserdiode erleuchtet und gemessen zu werden, und die berechnete Gasmenge wird von der Vorrichtung ausgegeben.
  71. Vorrichtung zum Nachweis eines Zielgases in einem überwachten Raum nach einem der Ansprüche 65 bis 70, worin das Ausgabemittel für die Menge des berechneten Gases, das im überwachten Raum oder in der Probenmesskammer vorhanden ist, ein analoges elektrisches Signal, das proportional zur Menge des Gases ist, ein digitales elektronisches Signal, das einem definierten Protokoll entspricht und numerische Informationen enthält, die die Menge des Gases vermitteln, eine numerische Darstellung der Menge des Gases auf einem Display, das mit der Vorrichtung assoziiert ist oder einen Teil davon darstellt, oder das Öffnen oder Schließen von Relais bei vorgeschriebenen Konzentrationen oder Mengen von Gas, wobei diese Relais und die erforderlichen Steuerschaltkreise entweder mit der Vorrichtung assoziiert sind oder einen Teil davon darstellen, beinhaltet.
DE602005003337T 2004-03-09 2005-03-08 Gasnachweis Active DE602005003337T2 (de)

Applications Claiming Priority (9)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB0405252A GB2411953A (en) 2004-03-09 2004-03-09 High sensitivity gas detector
GB0405252 2004-03-09
GB0406559 2004-03-24
GB0406559A GB2412430A (en) 2004-03-24 2004-03-24 Hazardous gas detector
GB0407533 2004-04-02
GB0407533A GB2412728A (en) 2004-04-02 2004-04-02 High integrity gas detector
GB0421319 2004-09-27
GB0421319A GB2418483A (en) 2004-09-27 2004-09-27 Laser diode spectroscopy gas detection
PCT/GB2005/000876 WO2005088275A1 (en) 2004-03-09 2005-03-08 Gas detection

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE602005003337D1 DE602005003337D1 (de) 2007-12-27
DE602005003337T2 true DE602005003337T2 (de) 2008-09-04

Family

ID=34961717

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE602005003337T Active DE602005003337T2 (de) 2004-03-09 2005-03-08 Gasnachweis

Country Status (6)

Country Link
US (1) US7705988B2 (de)
EP (1) EP1723407B1 (de)
AT (1) ATE378580T1 (de)
CA (1) CA2558851C (de)
DE (1) DE602005003337T2 (de)
WO (1) WO2005088275A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014226845A1 (de) * 2014-12-17 2016-06-23 Siemens Aktiengesellschaft Absorptionsspektrometer

Families Citing this family (60)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070229834A1 (en) 2004-10-22 2007-10-04 Patel C Kumar N System and method for high sensitivity optical detection of gases
US7903704B2 (en) 2006-06-23 2011-03-08 Pranalytica, Inc. Tunable quantum cascade lasers and photoacoustic detection of trace gases, TNT, TATP and precursors acetone and hydrogen peroxide
GB0617719D0 (en) * 2006-09-08 2006-10-18 Crowcon Detection Instr Ltd Gas detector
AU2007338957B2 (en) 2006-12-22 2014-05-22 Photonic Innovations Limited Gas detector
US8259299B2 (en) * 2007-06-21 2012-09-04 Rf Science & Technology Inc. Gas scanning and analysis
US8382668B2 (en) * 2007-06-21 2013-02-26 Rf Science & Technology Inc. Non-invasive determination of characteristics of a sample
US10264993B2 (en) * 2007-06-21 2019-04-23 Rf Science & Technology Inc. Sample scanning and analysis system and methods for using the same
US8647273B2 (en) * 2007-06-21 2014-02-11 RF Science & Technology, Inc. Non-invasive weight and performance management
US8647272B2 (en) * 2007-06-21 2014-02-11 Rf Science & Technology Inc Non-invasive scanning apparatuses
US7773314B2 (en) * 2007-09-20 2010-08-10 Lexmark International, Inc. Laser diode/pre-scan assembly
KR100937588B1 (ko) 2007-12-17 2010-01-20 한국전자통신연구원 가스 검출 장치 및 이를 이용한 가스 검출 방법
GB0905690D0 (en) * 2009-04-01 2009-05-20 Univ Cardiff Fluorescence detection schemes
US7916947B2 (en) * 2009-07-01 2011-03-29 Lawrence Livermore National Security, Llc False alarm recognition in hyperspectral gas plume identification
US8229679B1 (en) * 2009-09-14 2012-07-24 Exelis, Inc. Stepped chirp lidar system and method
DE102010003034A1 (de) 2010-03-18 2011-09-22 Vertilas Gmbh Leuchteinheit
US9279723B2 (en) 2010-08-19 2016-03-08 Novatrans Group Sa Terahertz spectroscopy system and method
JP5915089B2 (ja) * 2011-11-01 2016-05-11 富士電機株式会社 レーザ式ガス分析計
JP2013113664A (ja) 2011-11-28 2013-06-10 Yokogawa Electric Corp レーザガス分析装置
US9013294B1 (en) 2012-01-24 2015-04-21 Alarm.Com Incorporated Alarm probability
DE102012202893B3 (de) * 2012-02-27 2013-01-17 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas und Laserspektrometer
US9068933B2 (en) * 2012-06-08 2015-06-30 Ut-Battelle, Llc EGR distribution and fluctuation probe based on CO2 measurements
US9608408B2 (en) 2012-09-26 2017-03-28 Pranalytica, Inc. Long wavelength quantum cascade lasers based on high strain composition
EP2946194B1 (de) 2013-01-17 2023-07-05 Detector Electronics Corporation Gasdetektor mit offener messstrecke
NO20131712A1 (no) * 2013-12-19 2015-06-22 Simtronics As Filter-verifisering
FI20145030L (fi) * 2014-01-15 2015-07-16 Sparklike Ab Oy Menetelmä ja laite kaasukomponentin havainnoimiseksi läpinäkyvän tilavuuden sisällä
US20150294562A1 (en) * 2014-04-10 2015-10-15 Nec Laboratories America, Inc. Optical Fiber-Based Remote Gas Leakage Monitoring
US9683977B2 (en) * 2014-09-04 2017-06-20 Honeywell International Inc. Schema to reduce RF traffic and increase the network capacity for large wireless gas sensor networks
DE202014105282U1 (de) 2014-11-04 2016-02-05 Sick Ag Wellenlängen-Modulations-Spektrometer
CN107532998B (zh) * 2015-03-09 2021-08-03 光谱传感器公司 本质安全的光谱分析仪
JP2016200558A (ja) * 2015-04-14 2016-12-01 横河電機株式会社 ガス濃度分析装置
US10147338B2 (en) * 2015-04-16 2018-12-04 Pacific Gas And Electric Company Hazardous gas monitoring training system and method
GB2538563B (en) * 2015-05-22 2017-08-02 Optosci Ltd Gas sensing apparatus
WO2017014097A1 (ja) * 2015-07-17 2017-01-26 コニカミノルタ株式会社 ガス検知装置およびガス検知方法
JP6660583B2 (ja) * 2015-10-27 2020-03-11 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 物質検出装置及び物質検出方法
JP6660582B2 (ja) * 2015-09-29 2020-03-11 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 物質検出装置及び物質検出システム
WO2017033419A1 (ja) 2015-08-24 2017-03-02 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 物質検出装置、物質検出システム及び物質検出方法
US10458904B2 (en) 2015-09-28 2019-10-29 Ball Aerospace & Technologies Corp. Differential absorption lidar
JPWO2017122659A1 (ja) * 2016-01-15 2018-11-01 コニカミノルタ株式会社 ガス検知装置およびガス検知方法
NO345723B1 (en) * 2017-04-20 2021-07-05 Neo Monitors As Method for evaluation of integrity of tuneable laser spectrometers based on noise measurement
DE102018102059B4 (de) * 2018-01-30 2020-10-22 Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Konzentration
CN108827906A (zh) * 2018-04-20 2018-11-16 合肥工业大学 一种近红外光谱多组分气体在线检测系统及方法
US10921245B2 (en) 2018-06-08 2021-02-16 Ball Aerospace & Technologies Corp. Method and systems for remote emission detection and rate determination
CN108956875B (zh) * 2018-07-03 2020-10-27 浙江农林大学 一种基于物联网的实验室安全监测系统及方法
JP7298627B2 (ja) * 2019-01-31 2023-06-27 日本電気株式会社 受信器、早期異常検知システム、方法、及びプログラム
CN110542839B (zh) * 2019-09-09 2021-11-23 重庆大学 用于sf6气体绝缘设备的全光学绝缘故障监测系统
CA3111542C (en) 2020-03-10 2022-09-20 Galvanic Applied Sciences Inc. Multiple contaminants natural gas analyser
US11143588B1 (en) 2020-03-31 2021-10-12 Msa Technology, Llc Open path gas detector with synchronous flash detection
US11881093B2 (en) 2020-08-20 2024-01-23 Denso International America, Inc. Systems and methods for identifying smoking in vehicles
US11828210B2 (en) 2020-08-20 2023-11-28 Denso International America, Inc. Diagnostic systems and methods of vehicles using olfaction
US11760170B2 (en) 2020-08-20 2023-09-19 Denso International America, Inc. Olfaction sensor preservation systems and methods
US11932080B2 (en) 2020-08-20 2024-03-19 Denso International America, Inc. Diagnostic and recirculation control systems and methods
US11636870B2 (en) 2020-08-20 2023-04-25 Denso International America, Inc. Smoking cessation systems and methods
US11813926B2 (en) 2020-08-20 2023-11-14 Denso International America, Inc. Binding agent and olfaction sensor
US11760169B2 (en) 2020-08-20 2023-09-19 Denso International America, Inc. Particulate control systems and methods for olfaction sensors
US12017506B2 (en) 2020-08-20 2024-06-25 Denso International America, Inc. Passenger cabin air control systems and methods
WO2022153753A1 (ja) * 2021-01-13 2022-07-21 株式会社日立ハイテク 自動分析装置および自動分析方法
WO2023187792A1 (en) * 2022-03-31 2023-10-05 Wi-Charge Ltd. Laser based gas detector
CN114460023B (zh) * 2022-04-14 2022-08-05 华电智控（北京）技术有限公司 一种用于同时测量多种气体浓度的检测方法、系统和装置
CN115791698B (zh) * 2023-02-02 2023-05-23 合肥清芯传感科技有限公司 气体浓度检测设备及其控制方法、控制装置和存储介质
CN117491313B (zh) * 2023-11-13 2024-05-28 南京市锅炉压力容器检验研究院 一种基于tdlas的场区甲烷泄漏空间智能识别方法

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3700890A (en) * 1970-11-02 1972-10-24 Bell Telephone Labor Inc Measurement of gas impurity concentration by infrared absorption spectroscopy
US3805074A (en) * 1973-01-02 1974-04-16 Texas Instruments Inc Spectral scan air monitor
US3846716A (en) * 1973-07-03 1974-11-05 M Dyatlov Method of regulating light emitting power of laser and apparatus for effecting same
US3995960A (en) * 1975-07-25 1976-12-07 Nasa Method and apparatus for background signal reduction in opto-acoustic absorption measurement
EP0088760A1 (de) * 1981-04-13 1983-09-21 AUSTRALIAN NUCLEAR SCIENCE & TECHNOLOGY ORGANISATION Gerät zum messen der konzentration von gasförmigem wasserstofffluorid
US4493553A (en) * 1982-05-28 1985-01-15 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Method of and apparatus for measuring temperature and pressure
US4733084A (en) * 1985-01-09 1988-03-22 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Method of detection and quantitative determination of sulfur and sulfur monitor using the method
DE3633931A1 (de) * 1986-10-04 1988-04-07 Kernforschungsz Karlsruhe Verfahren und einrichtung zur kontinuierlichen messung der konzentration eines gasbestandteiles
DE3741026A1 (de) * 1987-12-03 1989-06-15 Muetek Laser Und Opto Elektron Verfahren und system zur (spuren-) gasanalyse
IT1219165B (it) * 1988-03-31 1990-05-03 Cselt Centro Studi Lab Telecom Procedimento e dispositivo per il controllo automatico di frequenza di laser a semiconduttore
EP0364642A1 (de) 1988-09-22 1990-04-25 The Victoria University Of Manchester Verfahren und Vorrichtung zum Gasnachweis
GB2248925B (en) * 1990-09-18 1994-08-24 Anthony Michael Charles Davies Method and apparatus for calibrating a spectrometer
DE4110095C2 (de) * 1991-03-27 1998-02-12 Draegerwerk Ag Verfahren zur gasspektroskopischen Messung der Konzentration eines Gasbestandteiles
US5969825A (en) * 1991-08-06 1999-10-19 Southwest Sciences Incorporated Dual-modulation laser line-locking for wavelength modulation spectroscopy
US5267019A (en) * 1991-09-30 1993-11-30 Consortium For Surface Processing, Inc. Method and apparatus for reducing fringe interference in laser spectroscopy
US5317156A (en) * 1992-01-29 1994-05-31 Sri International Diagnostic tests using near-infrared laser absorption spectroscopy
EP0629851A3 (de) 1993-06-17 1995-03-22 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zur absorptionsspektroskopischen Spurengasanalytik.
US5543621A (en) * 1995-05-15 1996-08-06 San Jose State University Foundation Laser diode spectrometer for analyzing the ratio of isotopic species in a substance
US6064488A (en) * 1997-06-06 2000-05-16 Monitor Labs, Inc. Method and apparatus for in situ gas concentration measurement
WO1999019712A1 (en) * 1997-10-10 1999-04-22 Zellweger Analytics Limited Optical gas detection
JP3336256B2 (ja) 1998-07-02 2002-10-21 日本酸素株式会社 レーザ光によるガスの分光分析方法
DE19840345B4 (de) * 1998-09-04 2004-09-30 Dräger Medical AG & Co. KGaA Verfahren und Vorrichtung zum quantitativen Aufspüren eines vorgegebenen Gases
EP1103804B1 (de) 1999-11-24 2005-08-31 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Detektion von Erdgas
US7009170B2 (en) * 2003-06-26 2006-03-07 Itt Manufacturing Enterprises, Inc. Active remote sensing using a simultaneous spectral sampling technique

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014226845A1 (de) * 2014-12-17 2016-06-23 Siemens Aktiengesellschaft Absorptionsspektrometer
DE102014226845B4 (de) * 2014-12-17 2016-11-03 Siemens Aktiengesellschaft Absorptionsspektrometer
US10132747B2 (en) 2014-12-17 2018-11-20 Siemens Aktiengesellschaft Absorption spectrometer

Also Published As

Publication number Publication date
EP1723407A1 (de) 2006-11-22
CA2558851C (en) 2016-12-20
WO2005088275A1 (en) 2005-09-22
ATE378580T1 (de) 2007-11-15
US20070131882A1 (en) 2007-06-14
EP1723407B1 (de) 2007-11-14
US7705988B2 (en) 2010-04-27
CA2558851A1 (en) 2005-09-22
DE602005003337D1 (de) 2007-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE602005003337T2 (de) Gasnachweis
EP2307876B1 (de) Verfahren zur laserspektroskopischen detektion von gasen
EP0318752B1 (de) System zur Spuren- Gasanalyse
EP2223038B1 (de) Interferometeranordnung und verfahren zu deren betrieb
EP2128560B1 (de) Interferometrisches Distanzmessverfahren mit spektral trennbarem Doppelchirp und ebensolche Vorrichtung
EP2240760B1 (de) Nichtdispersiver infrarot-gasanalysator
DE102015012429A1 (de) Verfahren zur Signalerfassung in einem Gasanalysesystem
EP2857812B1 (de) Verfahren zur messung der konzentration einer gaskomponente in einem messgas
DE202019101137U1 (de) Simultanes Messen einer SO2-Konzentration, einer NO2-Konzentration und einer NO-Konzentration in einem Gasgemisch
DE102008005572A1 (de) Messverfahren und Gassensor zur simultanen Erfassung der Konzentration zweier unterschiedlicher Gase
DE60122332T2 (de) Nicht-dispersive infrarot messung von gasen mit einem optischen filter
EP1174705B1 (de) Verfahren zur Brennwertbestimmung von Erdgas
EP3816609B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur ferndetektion eines zielgases
EP1929279B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des brechungsindex eines fluids
Mackay et al. Measurement of Hydrogen Chloride in Coal-Fired Power Plant Emissions Using Tunable Diode Laser Spectrometry.
EP2455733A1 (de) Verfahren und Messanordnung zur Wellenlängenmodulationsspektroskopie
DE112018005289B4 (de) Hohlraumdetektion mit abstimmbarer lichtquelle unter verwendung einer vielzahl von longitudinalen und transversalen modi
GB2127537A (en) Gas detection apparatus
EP3771900A1 (de) Verfahren zur bestimmung einer gaskonzentration und messgerät
DE19821136C2 (de) Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen
Ho et al. Fiber optic gas detection system for health monitoring of oil-filled transformer
DE102023104863A1 (de) Lasergasanalysator
DE10304459A1 (de) Gassensor zur Überwachung von ölgekühlten Transformatoren
WO2004008112A1 (de) Hochauflösendes absorptionsspektrometer und entsprechendes messverfahren
GB2412728A (en) High integrity gas detector

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition